Angew. Chem. ：基于双功能碳酸酯电解液调控的长寿命钾硫电池

钾硫（K–S）电池具有高理论能量密度（916 Wh kg⁻¹）和成本低的优势，被认为是最有应用前景的储能器件之一。但是，硫正极面临严重的多硫化钾穿梭以及动力学转化缓慢问题，同时钾负极也存在由不可控枝晶生长引起的安全隐患，限制了K–S电池的商业化应用。为了解决上述问题，研究者们采用粘结剂改性和正极结构设计等策略，在一定程度上提高了K–S电池的可逆容量和库伦效率，但是电池的循环寿命仍十分有限。通过对电解液进行合理设计和调控，不仅可以改善多硫化钾的溶解行为及其与电解液的副反应问题，同时还能促进钾负极形成稳定的固体电解质界面膜（SEI），从而得到高容量、长循环寿命的K–S电池。

近日，中国科学技术大学余彦教授团队和清华大学张强教授团队合作设计了一种双功能的高浓碳酸酯电解液（3 mol L⁻¹ KTFSI EC）。一方面，高浓电解液有效抑制多硫化钾的穿梭效应，提高硫正极的利用率；另一方面，该电解液可以在钾负极表面形成稳定的SEI，促进钾离子均匀沉积。基于该策略所获得的钾对称电池能够稳定循环9000小时，同时K–S电池也展现出2000次的长循环寿命。

图 1 基于3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液调控的K–S电池示意图。

分子动力学模拟和拉曼光谱测试表明，在3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液中具有高介电常数的EC溶剂可以有效削弱K⁺和TFSI⁻的相互作用，促进离子快速传输，增强K–S电池反应动力学。作者进一步通过离子电导率测试和粘度测试证明了3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液具有高离子电导率和低粘度的特性。

图2不同体系电解液的溶剂化结构和物理化学性质比较。

作者以碳硫复合物为正极，钾金属为负极，在3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液中测试了K–S电池的电化学性能。在0.5 A g⁻¹下，电池首圈可逆比容量为1277 mAh g⁻¹，循环800圈后仍有654 mAh g⁻¹的容量保留；在1 A g⁻¹下，电池循环2000圈后仍可以提供224 mAh g⁻¹的高可逆容量。

图 3 基于3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液的K–S电池的电化学性能。

此外，作者利用原位XRD、非原位TEM和XPS等多种电化学表征技术揭示了硫正极在充放电过程中所经历的“固-液-固”转化机制（S₈↔K₂S₆↔K₂S₄↔K₂S₃↔K₂S）。

图 4 基于3 mol L⁻¹ KTFSI EC电解液的K–S电池机理探究。

进一步的机理分析表明，EC溶剂衍生的富含有机官能团的致密CEI层，可以有效锚定多硫化钾并抑制其与碳酸酯溶剂的副反应；同时，在钾负极表面形成的SEI中富含KF组分，有利于抑制钾枝晶生长。总体来说，本工作中构筑高浓碳酸酯电解液（3 mol L⁻¹ KTFSI EC）的改性策略能够解决K–S电池中可逆容量低、循环寿命短等关键难题，有望进一步促进低成本、高性能钾硫电池的发展。

论文信息

Boosting the “Solid–Liquid–Solid” Conversion Reaction via Bifunctional Carbonate-Based Electrolyte for Ultra-long-life Potassium–Sulfur Batteries

Shufen Ye, Nan Yao, Dr. Xiang Chen, Mingze Ma, Lifeng Wang, Zhihao Chen, Dr. Yu Yao, Prof. Qiang Zhang, Prof. Yan Yu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202307728