圖3. CEI的化學(xué)成分兩種電解液中CEI的模型可以用圖3b，c中的圖表來描述。常規(guī)醚類電解液中易形成無機(jī)含量高的混合CEI，但存在缺陷積累。不完全的構(gòu)象為電解液和SPAN之間的直接接觸提供了途徑，從而導(dǎo)致多硫化物的不斷釋放，促進(jìn)向“固液”機(jī)制的轉(zhuǎn)變，并導(dǎo)致容量衰減。對(duì)于含EC的電解液，有機(jī)相的富集賦予了CEI一個(gè)緊密的組成，這有助于消除多硫化物從SPAN骨架泄漏。同時(shí)，緊湊的CEI防止了電解液的進(jìn)一步侵入，減輕了LiFSI和溶劑的持續(xù)分解，因此具有與SEI類似的自我控制的厚度。重要的是，共形結(jié)構(gòu)使定制的CEI包裹在SPAN顆粒上，確保能夠控制活性S的電化學(xué)行為。Li-SPAN電池電解液設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)確定含EC的醚類電解液可以保持SPAN正極良好的循環(huán)穩(wěn)定性，但它們通常與鋰金屬負(fù)極（LMA）不兼容。為此，作者設(shè)計(jì)了2 M LiFSI/EC電解液。Li/Cu電池顯示，當(dāng)使用2 M LiFSI/EC時(shí)，觀察到顯著改善的Li CE，在400次循環(huán)中平均為 97.45%，遠(yuǎn)高于商業(yè)碳酸酯電解液。
圖4. LMA的測(cè)試和表征進(jìn)一步采用XPS深度剖面分析來表征SEI。改性后的SEI在不同深度處的組分含量和種類基本不變，說明無機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料的均勻性。該SEI具有獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)，外層排列有超薄且高度有序的Li2O晶體層，而內(nèi)層呈現(xiàn)鑲嵌結(jié)構(gòu)，包括Li2O和Li2CO3。據(jù)報(bào)道，致密的Li2O殼層可以帶來均勻的Li+傳輸以及提高的機(jī)械強(qiáng)度，因此，SEI有可能持續(xù)有效地阻止Li枝晶的形成。此外，內(nèi)層中Li2O和Li2CO3含量豐富且分布均勻，具有比LiF更高的Li+電導(dǎo)率，有利于指導(dǎo)大尺寸的Li沉積，這是獲得高Li-CE的必要條件。Li-SPAN全電池的電化學(xué)性能首先評(píng)估了與具有中等面積容量（即1.86 mAh cm–2，相應(yīng)的N/P比為 3.59）的SPAN正極相匹配的工作電池的循環(huán)性能。由于 2 M LiFSI/EC中鋰穩(wěn)定性更好，全電池的壽命顯著延長，在120次循環(huán)后仍保留 80%的可逆容量。當(dāng)使用高負(fù)載SPAN正極(3.64 mAh cm–2)時(shí)，可以更好地實(shí)現(xiàn)定制CEI和SEI帶來的顯著優(yōu)點(diǎn)。正如預(yù)期的那樣，2 M LiFSI/EC使Li-SPAN全電池在0.3 C下具有卓越的循環(huán)性能（69次循環(huán)；1 M/LiFSI/EC-DEC中僅10次循環(huán)）。更令人印象深刻的是，由50 μm LMA 和具有4.08 mAh cm–2 S的厚SPAN正極組裝的單層軟包電池（100 mAh）仍然可以顯示出顯著的循環(huán)性能。在苛刻的條件下經(jīng)過85次循環(huán)后獲得了75%的高容量保持率，并且計(jì)算出的體積能量密度高達(dá)615 Wh L–1，這證實(shí)了定制電解液的實(shí)際應(yīng)用可行性。對(duì)于1 Ah級(jí)別的沖壓電池（5層正極），體積能量密度可以進(jìn)一步提升至 659 Wh L –1。相較于報(bào)道在文獻(xiàn)中的Li-S全電池，使用2 M LiFSI/EC的Li-SPAN全電池的電化學(xué)性能具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢(shì)。
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