北理工黄佳琦教授、李博权副研究员Nano Research：氧化还原介体调控策略构筑高能量密度锂硫软包电池

第一作者：彭彦琪

通讯作者：李博权*，黄佳琦*

单位：北京理工大学

由于超高的理论能量密度以及正极活性材料储量丰富、环境友好等优点，锂硫电池作为下一代高比能二次电池体系而备受关注。然而，硫正极缓慢的转化反应动力学制约了锂硫电池的实际放电容量和实际能量密度，这一动力学问题在高硫负载和贫电解液等实用化条件下更为显著。

最近的研究表明可溶性的氧化还原介体可以通过构建额外的反应旁路有效提升硫正极的转化反应动力学，但目前对氧化还原介体的性能验证主要集中在扣式电池体系中。锂硫扣式电池和软包电池在构型方面存在巨大差距，氧化还原介体在实用化的高能量密度锂硫软包电池的有效性亟待探索。

基于此，北京理工大学的李博权副研究员和黄佳琦教授在国际知名期刊Nano Research上发表题为“Boosting sulfur redox kinetics by a pentacenetetrone redox mediator for high-energy-density lithium-sulfur batteries”的研究论文。

该工作提出了，7，12，14-并五苯四酮（PT）作为一种氧化还原介体，以在实用化条件下促进硫正极的转化反应动力学。采用4.0 mgS cm⁻²的高硫载量正极，并将液硫比控制在5 μL mg⁻¹时，PT介导的锂硫电池能在0.1 C电流密度下实现993 mAh g⁻¹的初始放电比容量。PT介体的引入进一步实现了锂硫软包电池高达344 Wh kg⁻¹的初始能量密度。这项工作提出了一种有效的氧化还原介体，并验证了氧化还原介体在实用化高能量密度锂硫电池中的适用性。

图1. PT介导的锂硫电池反应路径。PT在放电过程通过构建反应旁路介导硫化锂的沉积。

PT分子显示出多对氧化还原峰，其中电位最低的氧化还原过程可以介导多硫化锂向硫化锂还原的过程（图2a）。Li₂S₆对称电池的EIS测试结果表明PT介体降低了多硫化锂液相转化过程的阻抗（图2b）。在涉及硫化锂的液-固沉积过程中，PT的介导同样提高了固相沉积动力学和沉积容量（图2c）。

图2. PT对于硫正极反应动力学的影响。（a）Li|PT和Li|Li₂S₈电池的CV。（b）Li₂S₆对称电池的EIS谱图。（c）Li|Li₂S₈电池的PITT放电曲线。

要点二：PT介体在锂硫扣式电池中的促进作用

该团队首先在扣式电池中验证了PT分子的动力学促进作用。PT分子的引入显著提高了电池的倍率性能，能够在6 C的高电流密度下提供574 mAh g⁻¹的放电比容量（图3a和3b）。在高载硫正极和贫电解液条件下，PT介体将电池循环寿命提高了三倍（图3c），并且在循环后期显著降低了电池的极化（图3d）。

图3. 锂硫扣式电池的电化学性能。（a）硫载量为1.2 mgS cm⁻²的锂硫扣式电池的倍率性能。（b）a图中电池在不同电流密度下的充放电曲线。（c）在贫电解液条件下，硫载量为4.0 mgS cm⁻²的电池在0.1 C下的长循环性能。（d）c图中电池的第10圈和第20圈循环的充放电曲线。

要点三：PT介体在实用化锂硫软包中的性能提升作用

为了进一步验证该介体在实用化软包电池中的性能提升作用，该团队组装了2.5 Ah级别的锂硫软包电池（图4a）。基于实际电池质量，PT介导的软包电池实现了344 Wh kg⁻¹的首圈能量密度（图4b和4c），并且能够稳定循环20圈（图4d）。

图4. PT介导的锂硫软包电池性能。（a）软包电池的光学照片。（b）锂硫软包电池中各部件的质量。（c）0.05 C电流密度下电池的首圈充放电曲线。（d）锂硫软包电池在0.05 C下的长循环性能。

Boosting sulfur redox kinetics by a pentacenetetrone redox mediator for high-energy-density lithium-sulfur batteries

黄佳琦教授简介：北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文200余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子84。

担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018年国家万人计划青年拔尖人才，2020年北京市杰出青年科学基金等；2018–2021年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。

李博权副研究员简介：2016年本科毕业于清华大学化学系，2020年博士毕业于清华大学化学工程系，同年加入北京理工大学前沿交叉科学研究院担任副研究员。主要从事锂硫电池、金属锂电池、金属空气电池等高比能二次电池的化学机制、材料构筑与器件应用等方面的研究。相关研究成果发表SCI论文90余篇，引用8000余次，H因子48。担任J. Energy Chem.期刊编委，入选2021年科睿唯安全球高被引科学家。

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