孟跃中教授＆肖敏教授ESM：锂硫电池有机液态电解质：现状与展望- 大数跨境

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孟跃中教授＆肖敏教授ESM：锂硫电池有机液态电解质：现状与展望

科学材料站

2020-09-27

导读：本文总结了能匹配硫正极并抑制多硫离子穿梭，增强锂负极界面稳定性的电解液，并分析其相关的电极浸润性，电解液用量，粘度，离子导电性等。

文章信息

锂硫电池有机液态电解质：现状与展望

第一作者：林乙龙

通讯作者：孟跃中，肖敏

单位：中山大学

研究背景

为满足未来大型储能系统的应用需求，锂硫电池得益于其极高的理论比容量和硫的低成本，作为一种极具发展前景的电池引起了人们的广泛关注和深入研究。与固态电解质相比，迄今为止，传统液态电解质仍是锂硫电池商业化最有利的选择。

然而，其商业化受到了诸多阻碍，包括活性物质导电性差导致活性材料利用率低；多硫化锂中间体的溶出产生“穿梭效应”以及阳极金属锂的不稳定性导致电池容量下降，充电效率低，自放电率高等问题。在有机液态锂硫电池中，各类组分如溶剂、锂盐和添加剂，都与多硫化物中间体的溶解和金属锂阳极上SEI膜的形成有关。高性能Li-S电池对先进电解液系统的强烈需求，使研究人员加大力度探索更新颖，更有效的电解液系统。

文章简介

近日，中山大学孟跃中教授＆肖敏教授在国际权威期刊Energy Storage Materials (影响因子：16.28) 上发表题为“Organic Liquid Electrolytes in Li-S Batteries: Actualities and Perspectives”的综述性工作。

该工作总结了能匹配硫正极并抑制多硫离子穿梭，增强锂负极界面稳定性的电解液，并分析其相关的电极浸润性，电解液用量，粘度，离子导电性等。在实际应用中，如果锂负极/电解液界面能够有效阻挡多硫化物的‘入侵’，那么多硫化物溶解就可以‘变废为宝’，增加活性物质利用率。

因此，在电解液改性下‘调和’多硫离子溶出与锂负极腐蚀的关系，需要综合考虑溶剂、盐、添加剂和电解液用量等因素，才能使锂硫电池的循环寿命，功率，安全性以及成本控制得到保证，推动其商业化进程。

第一部分：溶剂

锂硫电池的溶剂特性如电化学电压窗口、离子电导率、转移数、温度窗口、介电常数、粘度、对所有其他电池组分(如隔膜、电极等)的惰性、可燃性、毒性和成本等均在电解液体系中体现。作为有机溶剂，醚、砜或碳酸盐溶剂已被开发作为基于不同正极材料的锂硫电池候选溶剂。常用于锂离子电池的碳酸酯溶剂由于与溶解的多硫离子化学不兼容，因此大多数被应用于无多硫离子溶出的电池系统，如小分子硫，或者活性硫包裹在纳/微米多孔碳材料中以及共价固定在高分子复合材料上等情况。砜类溶剂由于高粘度和熔点等劣势，应用在锂硫电池上只有为数不多的报导。而占据主导地位的醚类溶剂因其优异的综合稳定性被广泛的探究与报导，目前乙二醇二甲醚（DME）和1,3-二氧戊烷（DOL）混合溶剂仍是最常见的溶剂选择。此外，该工作对磷酸/亚磷酸盐溶剂和腈类溶剂在锂硫电池上的应用进行总结。

第二部分：锂盐

商业化锂离子电池的常用锂盐LiPF6与大多数环状醚类化合物反应活性较高，因此在锂硫电池中应用较少。而LiTFSI和LiFSI因优异的综合性能（如循环/倍率性能，提高库伦效率等）被广泛研究。该部分对常见有机锂盐（如LiTFSI, LiFSI和LiTf等）和无机锂盐(LiPF6，LiBF4和LiClO4等)的优劣势进行对比，结合新开发的锂盐对提升锂硫电池性能的用量，作用机制等方面进行介绍。

第三部分：添加剂

由于Li-S电池系统对电解液的高要求（解决多硫离子穿梭，锂枝晶生长，电解液不稳定性和安全性等），电解液添加剂的报导数量远远低于在锂离子电池上的报导。保护锂负极的电解液添加剂正被大力开发，目前主导的依然是LiNO3。同时，稳定正极和提高电池安全性的电解液添加剂通过总结归纳有利于进一步开发更有效的添加剂提高电池的综合性能。

第四部分：E/S比

电解液的含量对锂硫电池的重量/体积能量密度具有较大的影响。电池性能方面，高E/S比（电解液/硫比率）有利于容量发挥和循环寿命，但不可避免造成多硫离子溶出严重；低E/S比面临更大的挑战，包括粘度增加、离子电导率下降、锂金属消耗和正极润湿性等。因此，在能量密度和使用寿命之间平衡合适的E/S比率也是锂硫电池不可避免的问题。

第五部分：新概念

对锂硫电池有机液态电解液最新报导的几个概念进行介绍，包括：Pseudo-concentrated electrolyte (PCE)；Full dissolution of the whole lithium sulfide family；Fluorine-free electrolyte；Linear free-energy relationship和“Cocktail optimized” electrolyte system。

文章链接

Organic Liquid Electrolytes in Li-S Batteries: Actualities and Perspectives

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.009

通讯作者介绍

孟跃中教授1998年入选中科院“百人计划”和“海外杰出人才”。现任广东省“珠江学者”特聘教授,中山大学材料学院、化学学院和化工学院多聘的二级教授；广东省低碳化学与过程节能重点实验室主任。

孟跃中教授曾获得国家“八五”科技攻关重大成果奖，中国“发明创业奖”特等奖及“当代发明家”荣誉称号，第十八届中国专利优秀奖，中国商业联合会科学技术一等奖，国家教育部科技进步二等奖，国家环境保护科学技术三等奖，广东省环境保护科学技术一等奖，以及辽宁省科技发明一等奖。发表了382篇SCI收录论文，其中影响因子大于10的有32篇,大于5.0的有117篇。另有115件国家发明专利和 6 项美国发明专利。2014年至2019年连续6年入选中国高被引学者, H-index = 60。

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