Понимание лития

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4811 (2022) Цитировать эту статью

8242 Доступа

9 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Сложное взаимодействие и лишь частичное понимание многоступенчатых фазовых переходов и кинетики реакций окислительно-восстановительных процессов в литий-серных батареях являются основными камнями преткновения, сдерживающими развитие и широкое внедрение этой электрохимической системы хранения энергии. Чтобы лучше понять эти аспекты, здесь мы сообщаем об измерениях операндо-конфокальной рамановской микроскопии, чтобы исследовать кинетику реакций окислительно-восстановительных процессов Li-S и предоставить механистическое понимание образования/эволюции полисульфидов и отложения серы. Операндо-визуализация и количественная оценка реагентов и промежуточных продуктов позволили охарактеризовать зависимые от потенциала скорости во время окислительно-восстановительного процесса Li-S и связать электронную проводимость электрода на основе серы и концентрации полисульфидов с характеристиками ячейки. Мы также сообщаем о визуализации межфазной эволюции и процессов диффузии различных полисульфидов, которые демонстрируют механизмы ступенчатого разряда и параллельной перезарядки во время работы ячейки. Эти результаты дают фундаментальное представление о механизмах и кинетике окислительно-восстановительных реакций Li–S.

Литий-серные (Li-S) батареи представляют собой одного из наиболее многообещающих кандидатов в технологии хранения энергии следующего поколения из-за их высокой плотности энергии, естественного содержания серы и низкого воздействия на окружающую среду. Окислительно-восстановительный процесс Li-S включает многоэтапные химические и фазовые превращения между твердой серой, жидкими полисульфидами и твердым сульфидом лития (Li2S), которые создают уникальные проблемы в Li-S-батареях. Критической проблемой является образование и «челночный эффект» растворимых промежуточных полисульфидов во время работы батареи. Полисульфиды соединяют твердую изолирующую серу и сульфид лития (Li2S) и частично смягчают высокое сопротивление и вялые электрохимические реакции чистой твердой серы. Однако транспорт полисульфидов от катода путем диффузии приводит к потере активного материала, вызывая серьезное снижение емкости и пассивацию на обоих электродах1,2,3.

С целью решения проблемы феномена полисульфидного челнока значительные усилия были направлены на регулирование/электрокатализацию окислительно-восстановительных путей полисульфидов и ограничение диффузии полисульфидов путем разработки конструкции катода, электролита и промежуточного слоя4,5,6,7,8. Несмотря на многочисленные сообщения о подходах к медиации полисульфидов, основные механистические детали фундаментальной окислительно-восстановительной кинетики Li-S и процессов эволюции межфазных полисульфидов остаются неуловимыми. Современные методы определения характеристик in situ/operando, включая методы на основе синхротрона9,10,11,12, электронную микроскопию (ЭМ)13,14, атомно-силовую микроскопию (АСМ)15,16, ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ) спектроскопия17,18,19,20,21, рамановская спектроскопия22,23,24,25 и ультрафиолетово-видимая (УФ-видимая) спектроскопия26,27,28 помогают создать базу знаний о механизмах реакции Li-S29,30, 31. Рентгеновские методы широко использовались для различения/идентификации различных видов серы и раскрытия путей их трансформации во время окислительно-восстановительных процессов Li-S9,32,33,34. Просвечивающая рентгеновская микроскопия Operando и рентгенофлуоресцентная микроскопия in situ позволили составить карту эволюции серы и родственных полисульфидных промежуточных продуктов35,36,37. Используя рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, Wang et al. количественно определили среднюю длину цепи полисульфидов при разряде, представив первую оценку относительных констант скорости превращений полисульфидов38. Полное понимание сложного окислительно-восстановительного процесса Li-S требует сочетания изображений с высоким разрешением, одновременной идентификации различных видов (поли)сульфидов, быстрого обнаружения в нескольких местах и ​​количественного анализа. Для большинства инструментов характеристики ограниченное разрешение в пространственном распределении и / или отсутствие четкого различия между различными полисульфидами ограничивают их точную характеристику и комплексную диагностику механизма реакции и кинетики окислительно-восстановительных процессов Li-S.