Nature：利用傳統碳酸鹽基電解質的高效可充電Li-SO2電池

本文揭示了傳統電池的某些化學性能可用於充電電池。近年來，Li-SO2電池作為一種高能量密度和長壽命的新型鋰離子電池，被認為是一種很有發展前景的充電系統，具有極化小、可逆性好等優點。

Li-SO2的化學理論研究

Li-SO2電池操作的基本原理基於Li和SO2氣體之間的簡單電化學反應，其總的放電反應如下：

陰極反應中，SO2從電極收集電子，在固體Li2S2O4沉澱之前，形成中間物連二亞硫酸鹽離子（S2O42-），最終形成產品。的研究結果然而，近期在鋰氧化學中對O2?的研究結果表明，中間物S2O42-可能會與周圍的電解質分子發生化學作用，這可能會導致放電反應途徑的交替。

我們選擇了兩種類型的電解質：傳統的碳酸酯基電解質（EC / DMC，體積比：1:1）和醚基電解質（四甘醇二甲醚，TEGDME），兩者都被廣泛用於鋰離子和鋰空氣充電電池。

圖1Li-SO2電池的化學反應的DFT計算

（a：EC / DMC和TEGDME下SO2氣體電化學還原反應的能量圖; b：通過O2 -（藍色）和SO2 -（紅色）的化學EC分解反應的ICF的能量曲線; c：在EC /DMC（紅色）和TEGDME（藍色）下，SO2 -和鋰離子與相應的能量分布之間的反應途徑）

圖1a顯示的是SO2分子從氣相變為各自電解質溶液中SO2?的能量，這也是第一電子轉移的能量。我們觀察到：在兩種電解質體系中，電子轉移的能量軌跡略有不同，即在EC / DMC的SO2?比在TEGDME中的穩定0.30?eV。帶電粒子的穩定性略有不同，這主要是由於具有高介電常數的碳酸鹽基電解質的溶解能力強。

圖1b是ICF過程的能量分布圖，與先前的O2?相比，它包括了EC分子中SO2?的親核攻擊。理論和實驗的早期的研究相一致，EC-O2的ICF（藍色虛線）呈具有中等活化屏障的下滑趨勢，這表明碳酸鹽電解質暴露在O2-下是不穩定的。然而，值得注意的是，0.24?eV下，EC-SO2的ICF（紅色虛線）是不適宜的。此外，活化能需要克服高達1.08?eV，這表明它是動力學阻礙。這一發現表明，SO2?分子的電化學驅動在不觸發電解液降解的情況下，可能穩定在碳酸酯基電解質。

圖1c顯示最佳的放電路徑，在只考慮特定溶劑的介電常數的前提下，用能量表示每一步TEGDME（藍線）和EC / DMC（紅色線）使用PB溶劑化模型的電解質。

碳酸鹽電解質中Li-SO2的化學可行性

圖2 碳酸酯基電解液中Li-SO2電池化學可逆性

（a:0.2mAcm?2的電流密度下，Li-SO2電池的恆流充放電曲線;b:恆電流間歇滴定技術（GITT）下Li-SO2細胞分析結果;c:原位氣體分析Li-SO2電池充電過程中的DEM圖;d:原位X射線衍射光譜的Li-SO2電池氣體電極;e:原位SEM圖像對應的Li-SO2細胞氣體電極（比例尺，300nm；比例尺，5μM（2–5）））

圖2a表示Li-SO2電池在第一周期的電流電壓曲線。圖2b顯示採用恆電流間歇滴定技術進行的平衡電位測量，這與Li2S2O4(～3V)的熱力勢能一致。此外，圖2c的DEM結果表明，在整個充電過程中只檢測到SO2氣體，沒有其他氣體，這也就演示了在Li-SO2電池中可逆的的充電反應。

本文中，首次證實通過開發傳統碳酸鹽基電解質，可以實現Li-SO2電池的可逆操作。理論和實驗研究表明，二氧化硫電化學在碳酸鹽基電解質中是高度穩定的，並使得鋰還原成為可能。碳酸酯基電解質使電力和可逆性顯著增強；此外，優化後的Li-SO2電池具有優異的循環穩定性，在0.2V極化下放電超過450次。這項研究強調了Li-SO2電池的潛在價值，以及傳統的碳酸鹽基電解質在金屬氣體充電系統的可行性。

文章節選自：High-efficiencyand high-power rechargeable lithium–sulfur dioxide batteries exploitingconventional carbonate-based electrolytes

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