清华大学王佳平传授 Angew：二硫化锂演变的原位监测助力锂硫电池机理研究
【文章信息】
二硫化锂演变的间接监测及其关于锂硫电池轮回性能的影响
第一做者：罗宇峰，方振翰，段召容
通信做者：王佳平*
单元：清华大学
【研究布景】
锂硫电池具有能量密度高，低成本，情况友好等特点，是下一代高比能电池的重要开展道路之一，然而其在财产化过程中遭到了多方面因素的造约。关于硫正极方面，硫（S）以及放电末产品硫化锂（Li2S）的低电导率以及中间产品多硫化物带来的消融穿越等问题被认为是影响硫操纵率的次要因素。二硫化锂（Li2S2）做为一种介于多硫化物以及Li2S的重要中间产品，经常与Li2S一路用来判断活性物量硫的操纵率，其本身在充放电过程中的演化过程却经常被忽略。那次要是因为Li2S2本身的低电导率以及热力学不不变等特征给其演化过程阐发带来了极大的难度。但是Li2S2向Li2S的电化学转化能够奉献电池一半的理论容量。因而，深入领会Li2S2在充放电过程中的演变过程对理解锂硫电池的反响机理并进一步提拔轮回容量具有重要意义。
【文章简介】
近日，来自清华大学的王佳平传授，段文晖传授与香港理工大学的郑子剑传授合做，在国际出名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上颁发题为“Direct Monitoring of Li2S2 Evolution and Its Influence on the Reversible Capacities of Lithium-Sulfur Batteries”的研究论文。本篇研究通过连系多种原位光谱表征手段对锂硫电池充放电轮回过程中Li2S2的演化过程了停止了系统的研究。同时，通过与引入功用型中间层的锂硫电池做为比照，讨论了Li2S2的演化过程关于电池轮回容量的影响。本文通过对Li2S2的演化过程的监测和阐发，为进一步理解锂硫电池的反响机理供给了有效助力。
【本文要点】
起首，关于软包电池的原位X射线衍射光谱停止阐发能够发现Li2S2在放电初期起头快速生成，在进入到第二个放电平台后生成速度减缓，并在放电完毕时生成量到达更大。电池进入到充电过程后，Li2S2起头削减，但在充电后期有微量的增加。那些成果申明Li2S2在生成后，既在放电后期难以完全复原为Li2S，又在充电后期无法完全氧化成S，在电池的充放电过程中始末存在于电池系统内。与在充电过程中能够完全氧化的结晶相Li2S比拟能够看出，硫电极内部非活性固体硫组分并不是是遍及认知的结晶相Li2S，而是Li2S2。
图1. 锂硫电池原位X射线衍射光谱阐发。A，B) 充放电曲线及其对应的原位X射线衍射光谱等高线图。C) 在差别充放电水平下的原位X射线衍射光谱。D) 各硫组分特征峰强度在充放电过程中的变革变革趋向。E）Li2S2 (-110) and Li2S (111) 峰强度在差别放电形态下的比值。
电池充放电过程中多硫化物的溶出形态也通过原位紫外-可见光谱停止了阐发。值得留意的是，当电池放电到第二个放电平台时，多硫化物的溶出呈现了第二次较为明显的增加。通过对三种多硫化物特征峰位置的吸收度变革趋向能够揣测，那种增加次要是因为Li2S2的在迟缓的电化学转化的同时发作了化学歧化合成。那种化学歧化合成能够在不奉献电池轮回容量的前提下生成Li2S，那不只会招致活性物量的丧失，还会影响电池的轮回性能。
图2. 锂硫电池原位紫外-可见光谱阐发。A，B) 充放电曲线及其对应的紫外-可见光谱等高线图。C) 在差别充放电水平下的原位紫外-可见光谱。D) 用于原位紫外-可见光谱阐发的软包电池的光学照片。E）在充放电过程中各消融的多硫化物在其特征峰位置的吸收度。
此外，接纳引入功用型导电中间层的电池做为对照组来验证Li2S2的演化对电池轮回性能的影响。成果发现对照组电池轮回容量有所增加，电池内各硫组分的演化情况均有所改动。总体来说，对照组电池在放电过程完毕后结晶相Li2S生成量明显提拔，Li2S2生成量以及消融的多硫化物含量都有所削减，出格是在第二个放电平台阶段溶出的多硫化物二次增加现象明显消逝。那些成果申明在引入功用型导电中间层后，Li2S2的电化学转化效率有所提拔，同时化学副反响也得到了有效按捺。电池内各硫组分的演化过程改变以及容量上的提拔次要是因为导电中间层做为上层集流体能够有效地降低硫电极的极化情况，从而使得其内部各硫组分的电化学转化速度得到了有效提拔。
图3. 锂硫电池各硫组分在引入功用型中间层前后的演变比照。A) 充放电曲线。B-D) 引入中间层后电池的充放电曲线以及其对应的原位X射线衍射和紫外-可见光谱的等高线图。E-L) 在充放电过程中各硫组分演变成果比照。M, N）在放电过程中的Li2S2 (-110) and Li2S (111) 峰强度比值以及Li2S2的转化率计算成果。
总之，该工做连系多种原位光谱表征手艺深切摸索了Li2S2在锂硫电池充放电过程中的演化过程，并研究了其电化学转化以及陪伴的化学副反响关于电池轮回容量的影响，关于进一步理解锂硫电池反响机理供给了启迪感化，并为权衡优化锂硫电池的手段供给了重要根据。
【文章链接】
Direct Monitoring of Li2S2 Evolution and Its Influence on the Reversible Capacities of Lithium-Sulfur Batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202215802
【通信做者简介】
王佳平传授简介：清华大学物理系长聘传授。英国剑桥大学博士，美国约翰霍普金斯大学博士后，曾任美国路易斯安那州立大学助理传授。2013 年入选教育部新世纪优良人才撑持方案。持久处置碳纳米管、锂离子电池、锂硫电池及柔性电子器件方面的研究，在Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., J. Mater. Chem. A, Small, J. Power Sources, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际高程度期刊共颁发学术论文 100 余篇，引用次数 6000 余次，获受权专利 20 余项。
【第一做者介绍】
罗宇峰，香港理工大学时拆与纺织学院（SFT）博士后。2019年获得清华大学质料学院质料科学与工程专业工学博士学位。同年参加郑子剑传授课题组处置博士后研究。研究标的目的次要为锂硫二次电池的电极设想及应用。已颁发论文30余篇，受权专利20余项。
方振翰：2022年结业于清华大学物理系，获理学博士学位，次要处置功用化纳米复合质料，柔性储能器件，质料基因组等研究。相关功效颁发在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., J. Mater. Chem. A, Small, Carbon, J. Power Sources 等国际高程度期刊，受权专利十余项。
段召容：2022年结业于清华大学物理系，获理学博士学位，次要处置计算凝聚态物理和计算质料科学范畴的根底研究，其研究标的目的包罗二次电池功用质料的理论和计算设想、固体的电子构造、第一性原理计算等。相关功效颁发在Angew. Chem.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.，Energy storage Mater.， Phys. Rev. B，Chem. Eng. J.，J. Mater. Chem. A，Small等国际高程度期刊。
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