背景介绍
由于高达2600 Wh·kg−1的理论能量密度以及正极活性材料储量丰富、环境友好等特点，锂硫电池作为下一代高比能二次电池体系而备受关注。然而，硫正极涉及的转化反应动力学十分缓慢，在高硫负载和贫电解液等实用化条件下动力学问题十分显著，这严重制约了锂硫电池的放电容量和实际能量密度。最近的研究表明可溶性的氧化还原介体可以通过构建额外的反应旁路有效提升硫正极的转化反应动力学，但目前对氧化还原介体的性能验证主要集中在扣式电池体系中。锂硫扣式电池和软包电池在构型方面存在巨大差距，氧化还原介体在实用化的高能量密度锂硫软包电池的有效性亟待探索。
成果简介
本工作提出了5，7，12，14-并五苯四酮（PT）作为一种氧化还原介体，以在实用化条件下促进硫正极的转化反应动力学。采用4.0 mgS cm−2的高硫载量正极，并将液硫比控制在5 μL·mg−1时，PT介导的锂硫电池能在0.1 C电流密度下实现993 mAh·g−1的初始放电比容量。PT介体的引入进一步实现了锂硫软包电池高达344 Wh·kg−1的初始能量密度。这项工作提出了一种有效的氧化还原介体，并验证了氧化还原介体在实用化高能量密度锂硫电池中的适用性。该论文以“Boosting sulfur redox kinetics by a pentacenetetrone redox mediator for high-energy-density lithium-sulfur batteries”为题发表在期刊Nano Research上，第一作者为北京理工大学硕士研究生彭彦琪，通讯作者为北京理工大学黄佳琦教授和李博权副研究员。
图文导读
该工作提出了PT分子作为氧化还原介体，通过构建循环旁路来介导液态多硫化锂向固态硫化锂的转化过程，从而能够在实用化条件下促进硫正极的反应动力学（图1）。
PT分子显示出多对氧化还原峰，其中电位最低的氧化还原过程可以介导多硫化锂向硫化锂还原的过程（图2(a)）。Li2S6对称电池的EIS测试结果表明PT介体降低了多硫化锂液相转化过程的阻抗（图2(b)）。在涉及硫化锂的液-固沉积过程中，PT的介导同样提高了固相沉积动力学和沉积容量（图2(c)）。
该团队首先在扣式电池中验证了PT分子的动力学促进作用。PT分子的引入显著提高了电池的倍率性能，能够在6 C的高电流密度下提供574 mAh·g−1的放电比容量（图3(a)和3(b)）。在高载硫正极和贫电解液条件下，PT介体将电池循环寿命提高了三倍（图3(c)），并且在循环后期显著降低了电池的极化（图3(d)）。
为了进一步验证该介体在实用化软包电池中的性能提升作用，该团队组装了2.5 Ah级别的锂硫软包电池（图4(a)）。基于实际电池质量，PT介导的软包电池实现了344 Wh·kg−1的首圈能量密度（图4(b)和4(c)），并且能够稳定循环20圈（图4(d)）。
该团队提出了一种有效的氧化还原介体（PT）以促进实际高能量密度锂硫电池中的正极转化动力学。PT不仅加速了多硫化锂之间的液液转化动力学，也促进了液相多硫化锂向固相硫化锂的转化过程，从而实现了具有344 Wh·kg−1实际初始能量密度的锂硫软包电池。该工作不仅展示了一种新型氧化还原介体，也验证了氧化还原介体在具有高能量密度的实用化锂硫电池中的可用性。
作者简介
黄佳琦，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，九三学社社员。主要开展能源界面化学研究。发表SCI论文200余篇，其中60余篇为ESI高被引论文，h因子84。担任中国颗粒学会青年理事会理事，J. Energy Chem.、InfoMat编委，Chin. Chem. Lett.、Green Energy Environ.、Energy Mater. Adv.青年编委。曾获评2016年中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，2018年中国颗粒学会青年颗粒学奖，2018年国家万人计划青年拔尖人才，2020年北京市杰出青年科学基金等；2018–2021年连续入选科睿唯安全球高被引科学家。
李博权，2016年本科毕业于清华大学化学系，2020年博士毕业于清华大学化学工程系，同年加入北京理工大学前沿交叉科学研究院担任副研究员。主要从事锂硫电池、金属锂电池、金属空气电池等高比能二次电池的化学机制、材料构筑与器件应用等方面的研究。相关研究成果发表SCI论文90余篇，引用8000余次，H因子48。担任J. Energy Chem.期刊编委，入选2021年科睿唯安全球高被引科学家。
文章信息
Y.-Q. Peng, M. Zhao, Z.-X. Chen, et al. Boosting sulfur redox kinetics by a pentacenetetrone redox mediator for high-energy-density lithium-sulfur batteries. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4584-z.
