锂硫（Li-S）电池在实现高能量密度方面具有广阔前景。采用弱溶剂化电解质（WSEs）可进一步提升阳极稳定性，但多硫化锂（LiPS）的氧化还原动力学在WSEs中会受到抑制，其内在机制尚不明确。本研究通过旋转圆盘电极分析对WSEs中的LiPS动力学进行了定量解析，发现氧化过程中的电子转移数在WSEs中减少，证实其氧化程度存在本征性抑制。与此同时，扩散系数与电解液粘度同步增加，根据斯托克斯-爱因斯坦关系式表明LiPS流体力学半径在WSEs中减小，对应着多硫化锂分子聚集的抑制。基于这种聚集减弱效应，采用WSEs的锂硫电池实现了创纪录的低温性能，在8.0 mAh cm−2303 Wh kg−1在6 Ah级软包电池中于0°C条件下实现。本研究建立了一种新的动力学分析方法以指导电解质合理设计，并凸显了弱溶剂化电解质在实现低温锂硫电池应用方面的潜力。
图文摘要
引言
锂硫（Li-S）电池因其高达2,600 Wh kg-1的卓越理论能量密度，成为下一代储能系统的关键解决方案。−1.1,2,3硫正极在充放电过程中经历复杂的多电子与多相反应，包括硫的溶解、可溶性多硫化锂（LiPSs）的生成以及硫化锂的沉积等可逆过程。4,5,6通过采用催化剂或氧化还原介体促进多硫化锂反应动力学，锂硫软包电池已实现695 Wh kg-1的实际能量密度。−1.7 然而，溶解的多硫化锂（LiPSs）在浓度梯度作用下会扩散至阳极区，与金属锂发生寄生反应，导致阳极快速失效并限制电池循环寿命。8,9,10采用弱溶剂化电解质（WSEs）可通过降低多硫化锂反应活性，有效抑制寄生反应并提升阳极稳定性。11,12典型的弱溶剂化电解质（WSE）通过将对多硫化锂（LiPSs）具有弱溶剂化能力的溶剂引入常规醚类电解液中实现性能优化。例如，采用二异丙基硫醚作为共溶剂时，穿梭电流降低86%，对应的WSE在安时级软包电池中可实现超过100次循环。13类似地，采用甲基己基醚（HME）的WSE、14甲苯、15或甲基丙基醚16均显示出阳极稳定性和电池循环寿命的提升。 尽管在提升阳极稳定性方面具有优势，但弱溶剂化电解质（WSEs）中多硫化锂（LiPS）反应性的降低不可避免地会损害阴极反应动力学。17例如，Li等人证明随着电解质溶剂化能力的减弱，放电容量会降低。18进一步的极化分析表明，在这些体系中，阴极活化极化是主要的动力学瓶颈。19要克服阳极稳定性与阴极动力学之间的两难困境，必须更深入地理解弱溶剂化电解质中多硫化锂的动力学行为。 在本研究中，我们通过旋转圆盘电极（RDE）分析对弱溶剂化电解液（WSEs）中多硫化锂（LiPS）的本征动力学行为进行了定量评估。随着弱溶剂化溶剂HME含量从0%增加至50%，多硫化锂氧化过程中的电子转移数（）降低了34.5%，这表明WSEs体系中多硫化锂的氧化程度受到抑制。与此同时，HME含量的增加虽然提高了电解液粘度，却出人意料地提升了多硫化锂的扩散系数（）。根据斯托克斯-爱因斯坦关系，这种反直觉的黏度增加对应着LiPS流体力学半径减少65.8%，表明WSEs中多硫化锂聚集受到显著抑制。基于这些发现，采用WSEs的锂硫电池展现出优异的低温性能。在-20°C条件下，WSEs体系实现了853 mAh g的比放电容量，性能提升达3.5倍。此外，采用8.2 mgcm高载量正极的6 Ah级软包电池，可实现8.0 mAh cm−1的面容量和303 Wh kgS在0°C条件下，其性能显著超越目前已报道的低温锂硫电池。−2 high-loading cathodes deliver a high areal capacity of 8.0 mAh cm−2 and an actual energy density of 303 Wh kg−1 at 0°C, significantly surpassing the currently reported low-temperature Li–S batteries.
