有机硫醇在锂金属电池中的应用与研究

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随着可再生能源系统的迅速发展和智能电子设备的快速普及,人们亟需高能量密度以及低成本的二次电池。在过去的几十年里,传统锂离子电池主导了整个电池领域,并成功地被商业化应用,但其有限的能量密度无法满足人们对高能量密度储能系统日益增长的需求。锂/硫和锂/硒电池由于具有较高的理论能量密度,被认为是极具应用前景的下一代能量存储系统,受到了广泛研究。然而,锂/硫和锂/硒体系中存在多硫化物/多硒化物的穿梭效应以及锂负极界面不稳定的问题,这会导致活性物质利用率低、自放电严重、容量衰减快、库伦效率低等,因此严重限制了锂/硫和锂/硒电池的实际应用。鉴于此,为了应对锂/硫电池面临的挑战,本论文研究了一系列苯二硫醇(benzenedithiol,BDT)即 1,2-BDT、1,3-BDT 和 1,4-BDT 用作电解液添加剂。其中,1,4-BDT对锂/硫电池的性能提升效果最佳。原因是1,4-BDT的分子结构不同于其他两种异构体,两个巯基(-SH)处于对位而不易发生自聚合,这使其可以更有效地参与电化学反应并作用于正极和负极。例如,1,4-BDT在正极会与更多的硫原子发生聚合反应生成硫-硫(S-S)键,改变传统硫正极固有的氧化还原路径,抑制多硫化物的穿梭效应;同时,1,4-BDT在锂负极表面会形成致密稳定的固态电解质界面(SEI)。锂/锂(Li/Li)对称电池在5 mA cm-2的高电流密度下展现出80 mV的超低过电位,并能够稳定工作300小时。含有1,4-BDT的锂/硫电池在C/5倍率下展现出优异的循环性能:其初始比容量为1548.5 mAh g-1,200圈后的可逆比容量为1306.9 mAh g-1。此外,含有1,4-BDT、总硫负载量为2.8 g的锂/硫软包电池,在C/10倍率下展现出2640 mAh的初始放电容量以及84.2%的容量保持率(26圈)。本工作证明了有机二硫醇化合物可作为一种功能化电解液添加剂,为设计先进锂/硫电池材料提供新的研究方向。在此基础上,本论文又继续研究了 1,4-BDT作为有机氧化还原介质调控多硒化物的分布与活性的能力。多硒化物作为锂/硒电池中固有的氧化还原介质,连接着硒(Se)和硒化锂(Li2Se)进行氧化还原反应,其在复杂的氧化还原反应中起着至关重要的作用。然而,多硒化物的溶解与穿梭,导致锂/硒电池具有较差的电化学性能。因此,调控多硒化物的分布和活性是提高锂/硒电池电化学性能的重要策略。相比于物理限域和化学吸附/催化等外部调节,对多硒化物分子的直接化学修饰是一种更具吸引力的策略。1,4-BDT添加剂可作为氧化还原介质以实现对多硒化物分子的直接改性。1,4-BDT可以可逆地储存和释放硒(Se)原子,直接改变Se的氧化还原反应途径,因此加速了锂/硒电池的氧化还原反应动力学,提高了锂/硒电池的容量和循环稳定性。当充放电倍率为1C时,含有1,4-BDT的锂/硒电池可提供高达626 mAhg-1的初始比容量,并且可稳定循环700圈。此外,在实际应用条件下,即Se的负载量为5.5 mg cm-2,电解液/硒(E/Se)比例为10 μL mg-1时,含有1,4-BDT的锂/硒电池在100圈循环后仍可保持430.3 mAh g-1的比容量。这项工作证实了一种有效的氧化还原调节策略,并可以激发科研工作者对有机硫介质在多相多电子转移电池中的应用进行更多的探索。
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