北京大学Nano Lett. | 阴离子受体用于调控多硫化锂团簇结构实现低温锂硫电池

英文原题：Regulating Polysulfide Clustering with an Anion Acceptor for Low-Temperature Sulfur Batteries

通讯作者：庞全全（北京大学）

作者：Mengxue He, Yun An, Lujun Zhu, Yatao Liu, Yongfeng Jia, Yizhou Hao, Guo Ye, Xufeng Hong, Zhitong Xiao, Yue Ma, Huimin Song, Kaier Shen, Yingjing Yan, Weize Shi, Chenxi Zheng, Jianhao Chen, Muhammad Burhan Shafqat, Quanquan Pang*

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度（~2600 Wh kg⁻¹）和硫的低成本、高丰度等优势，被认为是下一代高能量密度储能系统的有力候选者，尤其在便携式电子设备和低成本储能领域具有广泛的应用前景。然而，尽管锂硫电池在理论上具有显著的优势，其实际应用仍面临诸多挑战，特别是在贫电解液和低温条件下的性能表现不佳。硫电极在贫电解液条件下反应动力学迟滞，导致其容量释放受限，难以实现高能量密度。这一问题的根本原因在于贫电解液条件下，中间产物多硫化锂（LiPSs）的溶剂化不足，且在高浓度条件下易通过Li⁺的桥接作用形成聚集簇，极大地阻碍了溶液介导的电化学反应，从而导致活性物质利用率低下。此外，这种动力学缺陷在低温条件下尤为显著，进一步限制了锂硫电池的实际应用范围。

基于LiPSs的路易斯碱特性，北京大学的庞全全（点击查看介绍）团队提出了一种通过引入路易斯酸性阴离子受体来调控LiPSs聚集簇的策略。具体而言，在电解液中引入了三（五氟苯基）硼（TPFPB）作为阴离子受体。通过理论计算和谱学分析（如紫外-可见光谱和核磁共振谱），研究团队证实了TPFPB分子中的缺电子中心硼原子能够与LiPSs中的富电子中心硫原子发生软路易斯酸碱相互作用，从而有效破坏LiPSs的聚集结构。另外，TPFPB的引入进一步促进了硫化锂（Li₂S）的部分溶剂化，促进Li₂S的沉积模式转变为三维岛状结构，这种结构不仅增加了电极的活性表面积，还显著提高了硫的利用率。

图1. Li₂S在不同电解质中的成核动力学及沉积形态。（a, b, d, e）在（a, d）空白（b, e）和TPFPB基电解质中，在（a, b）25°C和（c, d）−25°C下，Li₂S成核生长的时间电流曲线。插图：沉积Li₂S的SEM图像（比例尺，3 μm）。（c, f）Li₂S在不同温度下的理论成核和生长模型与I/Im - T/Tm曲线的峰值拟合。（g）空白（h）和TPFPB电解质在恶劣条件下Li₂S沉积机理示意图，重点讨论了S²⁻溶剂化对Li₂S沉积行为的影响。

在电解液用量为4 μL mg⁻¹的条件下，TPFPB电解液有效促进了硫化锂的持续沉积，从而提升硫电极的放电容量，并在100次循环过程中维持82.5%的容量保持率。另外低温条件下，TPFPB的引入显著改善了锂硫电池的放电容量。在−25°C的低温条件下，使用TPFPB电解液的锂硫电池表现出高达1000 mAh g⁻¹的放电容量，而传统电解液的电池容量仅为260 mAh g⁻¹。这一显著的性能提升归因于TPFPB对多硫化物聚集簇的有效抑制，以及其对Li₂S沉积行为的调控。

图2. 低温条件下Li-S电池的电化学性能。（a）不同电解液中Li-S电池在−25°C下的GITT测试曲线。（b）由GITT计算的Li⁺离子的准扩散系数。（c）−25℃条件下电池在0.1C下的电压分布图和（d）容量保持情况。（e）使用TPFPB电解质的Li-S电池在高的充放电倍率下的电压分布图。（f）Li-S软包电池参数。（g）0.05 C和0°C时软包电池的电压分布图和（h）循环性能。

综上，本文通过引入TPFPB阴离子受体，成功调控了锂硫电池中多硫化物的聚集行为，显著提升了电池在贫电解液和低温条件下的性能。该策略不仅改善了多硫化物的溶解和反应动力学，还促进了Li₂S的三维生长，有效提高了硫的利用率。实验证明，该策略在Ah级软包电池中也表现出优异的循环稳定性，为锂硫电池在极端条件下的应用提供了新的思路。

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Regulating Polysulfide Clustering with An Anion Acceptor for Low-Temperature Sulfur Batteries

Mengxue He, Yun An, Lujun Zhu, Yatao Liu, Yongfeng Jia, Yizhou Hao, Guo Ye, Xufeng Hong, Zhitong Xiao, Yue Ma, Huimin Song, Kaier Shen, Yingjing Yan, Weize Shi, Chenxi Zheng, Jianhao Chen, Muhammad Burhan Shafqat, Quanquan Pang*

Nano Lett. 2025, 25, 8, 3029–3037

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04519 

Published February 12, 2025

© 2025 American Chemical Society

通讯作者简介

庞全全教授，北京大学材料科学与工程学院特聘研究员，博士生导师。2020、2021、2023年科睿唯安交叉学科高被引科学家，2022年、2023年“斯坦福大学”全球2%顶尖科学家。获高层次人才计划青年项目，十四五重点研发计划“新能源汽车”重点专项青年首席科学家，主持国家“十三五”重点研发计划“政府间合作”重点专项目、基金委重大研究计划培育项目等。以第一/通讯作者在Nature、Nat. Energy、Joule、JACS、PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等杂志发表多篇论文，多篇入选ESI热点论文和高被引论文。担任EcoMat、Rare Metal、Energy Materials Advance、Carbon Energy等杂志青年编委“十四五”科技部重点研发计划“新能源汽车”重点专项青年科学家。团队（pang-eetl-pku.com）招收新电池体系方向（液流电池、固态电池、电解液、熔融盐、水系电池）博士后，（请联系qqpang@pku.edu.cn）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/219452 

第一作者简介

何孟雪，北京大学博雅博士后，在锂硫电池正极材料，锂硫电池电解液，电极制备，钠离子电池电解液的设计与构筑等领域具有深厚的研究基础，具有丰富的电极材料和电解液制备及表征经验，以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Eng. J、 Chem. Commun.、Electrochim. Acta等国际期刊发表SCI论文10篇。

（本稿件来自ACS Publications）