鋰硫（Li-S）電池自研究以來，研究者們就達成共識，即環(huán)八硫（cyclo-S8 ）正極在醚類電解液中會經(jīng)歷逐步溶解-沉積的過程。廣泛的研究集中于從導(dǎo)電基體（石墨烯、碳納米管、多孔碳等）、吸附材料（金屬有機骨架）和催化
固態(tài)電解質(zhì)的替代選擇可能提供一個合適的選擇，以去除大量的電解液，用于環(huán)-S8 正極的固-固轉(zhuǎn)換（SSC）途徑。然而，剛性正極/電解質(zhì)界面仍然是一個瓶頸。硫化聚丙烯腈(S@pPAN)正極由于其獨特的正極結(jié)構(gòu)和在碳酸酯電解液中的穩(wěn)定成膜，可共享SSC途徑。然而，鋰負(fù)極與典型的碳酸酯電解液共存時，會遭受不受控枝晶生長和差可逆性的問題，這限制了鋰負(fù)極的使用以實現(xiàn)高能量密度Li-S電池的目標(biāo)。進退兩難的是，由于硫物種的溶解，采用普通醚類電解液無法穩(wěn)定S@pPAN正極。
近日，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)周豪慎教授 等人通過MOF改性將溶劑/鹽（DME/LiTFSI）摩爾比提高至1:1，合理設(shè)計了一種陽離子-溶劑全配位醚類電解液，以同時解決鋰負(fù)極和S@pPAN正極的問題。相關(guān)成果以題為“Designing cation-solvent fully coordinated electrolyte for high-energy-density lithium-sulfur full cell based on solid-solid conversion”發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 要點1
在對電極/電解質(zhì)界面進行全面檢查后，作者認(rèn)為電極的差可逆性源于普通電解液中松散的溶劑化結(jié)構(gòu)和較強的溶劑活性。通過改變電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，使陽離子-溶劑處于全配位狀態(tài)，可抑制溶劑的活性。因此，作者首先配置了DME/LiTFSI飽和溶液（2.5:1，摩爾比），然后引入Cu-BTC/PSS金屬有機骨架（簡稱MOF，孔徑6.5 ?），通過將醚類電解液限制在MOF的均勻孔隙和充足的空穴中，進一步提高陽離子-溶劑配位，具推算MOF改性后電解液中溶劑/鹽摩爾比可達1:1，因此溶劑的活性，在溶劑構(gòu)象、可燃性和抗氧化能力方面受到抑制。拉曼光譜證實了高度抑制的溶劑活性和完全配位的陽離子溶劑結(jié)構(gòu)。 圖1. Li-S電池中電極與典型電解液的相容性示意圖 MOF改性醚類電解液不僅溶劑化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且可以產(chǎn)生富含LiF的SEI，因此獲得了具有 99.34% 高可逆性的均勻且圓邊的鋰電沉積物。 圖3. 鋰金屬負(fù)極的電沉積行為及其界面組分分析 陽離子-溶劑完全配位的醚類電解液通過消除LiPS溶解和對電解液量的依賴，可使S@pPAN正極發(fā)生可逆的固相氧化還原反應(yīng)。 圖4. S@pPAN 正極與不同電解液的電化學(xué)相容性 結(jié)果，在少鋰金屬過量（0.4倍）和超貧電解液設(shè)計（1μL mg-1 ）條件下，實現(xiàn)了長壽命Li-S@pPAN 軟包電池，其能量密度可達394 Wh kg-1 （根據(jù)電極和電解液質(zhì)量計算）。 這種新型的電解液改性策略不僅為實現(xiàn)實用的高能量密度Li-S電池鋪平了道路，而且對其他類型鋰金屬電池的研究也有一定的啟示。 Designing cation-solvent fully coordinated electrolyte for high-energy-density lithium-sulfur full cell based on solid-solid conversion. Angew. Chem. Int. Ed. 2021. DOI: 10.1002/anie.202106788
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