斯坦福大学崔屹教授最新PNAS成果！

锂硫（Li-S）电池具有能量密度高、成本低的特性，有望成为下一代的能源存储设备。然而，由于多硫化锂（LiPS）中间体的高溶解性，Li-S电池的循环稳定性受到困扰，其遭受快速的容量衰减和严重的自放电。探索LiPS溶解度低的电解液已在应对这些挑战方面取得了可喜的成果。

近日，斯坦福大学崔屹教授针对电解液对LiPS的溶解性解决方案提出了不同的看法，他认为具有适度LiPS溶解度的电解液对于同时限制穿梭效应和实现良好的Li-S反应动力学更为有效。为此，作者探索了37至1,100 mM（基于S原子，[S]）的溶解度范围，并发现50至200 mM [S]的中等溶解度效果最佳。基于此，作者利用一系列不同氟化程度的电解液溶剂，设计了适用于Li-S电池的单溶剂、单盐、标准盐浓度与适度LiPS溶解度的电解液（称为S6MILE）。在所设计的电解液中，采用氟化-1,2-二乙氧基乙烷S6MILE（F4DEE-S6MILE）的Li-S电池在室温0.05 C时的容量最高，达到1,160 mAh g-1。在60℃时，采用氟化-1,4-二甲氧基丁烷S6MILE（F4DMB-S6MILE）的电池在贫电解液条件下，在0.05 C时的最高容量为1,526 mAh g-1，并且在0.2 C下的150次循环中的平均CE值为 99.89%。与其他传统的醚基电解液相比，循环寿命提高了五倍。此外，作者还观察到了较长的日历老化寿命，采用F4DMB-S6MILE的电池静置30 d后，容量增加/恢复了4.3%。另外，这项工作还系统地研究了LiPS的溶解度、电解也溶剂的氟化程度和电池性能之间的相关性。

文章要点：

1. 这项工作研究了LiPS溶解度在37至1,100 mM [S]之间的电解液溶剂的电化学性能，结果发现LiPS溶解度在50至200 mM [S]的中等范围内性能最佳。

2. 进一步通过对电解液溶剂进行选择性氟化，配置了用于Li-S电池的单溶剂、单盐、标准盐浓度的中等LiPS溶解度电解液，即S6MILE。具体来说，作者假设一系列氟化醚分子作为溶剂将使该工作能够系统地将它们的LiPS溶解度与电池性能联系起来，并进一步确定最佳的电解质溶剂分子设计，以促进充分的反应动力学，同时抑制穿梭效应。作者通过改变溶剂分子上氟（F）原子的数量，调整LiPS的溶解度，并利用分子动力学（MD）模拟，系统地研究了LiPS在合理设计的溶剂中的溶剂化结构和溶解度。

3. S6MILE是以 1.2 M LiTFSI为单盐在相应溶剂中制成的。研究发现，LiPS溶解度为 140 mM [S]的氟化-1,2-二乙氧基乙烷（F4DEE）和LiPS溶解度为 70 mM [S]的氟化-1,4-二甲氧基丁烷（F4DMB）分别在室温（RT）和 60℃下表现出最佳的LiPS溶解度和最佳的Li-S电池性能。

4. 令人惊讶的是，采用F4DMB-S6MILE 的Li-S电池在日历老化30天后，容量增加/恢复了4.3%，而采用传统DOL/DME的电池（即使添加了硝酸锂）容量损失达 16%。如此出色的日历老化性能以前从未实现。

5. 此外，作者设计的分子具有很高的沸点（1个大气压下大于150℃），可以很容易地放大用于工业应用。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301260120

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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