黄学杰/张恒JACS：创新！采用元素硫来构建高能负极的坚固SEI！

2023年10月8日下午8:46 • 顶刊解读 • 阅读 38

采用高能负极材料（如硅基和硅衍生物材料）制备的可充锂基电池被认为是满足新兴市场严格要求的可行方案，包括电动汽车和电网存储，因为与当代锂离子电池相比，其能量密度更高。高能负极上的固体电解质界面层（SEI）的坚固性对于实现电池的长期和稳定循环至关重要。

中科院物理所黄学杰、华中科技大学张恒等提出了一种新型的设计正极添加剂（DCA），即正极上的超薄元素硫涂层，以用于在各种类型的高能负极上原位形成薄而坚固的SEI层。

黄学杰/张恒JACS：创新！采用元素硫来构建高能负极的坚固SEI！

图1. 用于高能负极的DCA的示意

这一策略主要是基于以下考虑而构思的：

（1）通过还原反应，元素硫可原位转化为多硫化物，这可能引发环状碳酸酯的开环聚合（例如，碳酸乙烯酯（EC））并在高能负极表面构建弹性SEI层；

（2）通过氧化反应，元素硫可作为形成烷基硫酸盐(R-OSO₂OLi)的前体，这有助于机械稳定负极-电解质界面并促进Li⁺阳离子的快速传输；

（3）与含硫电解液添加剂（如 ES、PS 和 DTD）相比，元素硫易于以低成本获得，这确保了它们在工业水平上的实际应用。

因此，通过在正极中引入少量的元素硫，元素硫在与碳酸乙烯酯（EC）的反应下，经历了还原和氧化的途径，生成了类似聚环氧乙烷（PEO）的聚合物和烷基硫酸锂（R-OSO₂OLi）。结果，在负极-电解质界面新产生的物种可以有效地缓解充电过程中的体积膨胀，并形成导电网络，快速传输Li⁺阳离子，这对硅基材料（如SiC450和SiC900）和硅衍生物负极材料（如理论容量为1608 mAh g^-1的Si-Sn合金）都很有效。

黄学杰/张恒JACS：创新！采用元素硫来构建高能负极的坚固SEI！

图2. SiC||DCA-LFP电池中DCA的化学性质

受益于上述优势，仅用0.5wt%的DCS元素硫，SiC450||DCA-LFP、SiC900||DCA-LFP和Si-Sn合金||DCA-LFP电池在100次循环后，容量都分别增加了14.1、22.9和35.2%，倍率容量在5C下分别增加了19.1、24.4和14.6%。

总的来说，作者证明了DCA元素硫在容量保持、倍率性能、普遍适用性、成本降低和低电阻等五个方面具有综合优势。更具突破性的是，这种利用DCA驯服SEI的新方法为未来高能锂基充电电池的界面设计提供了新的机会。

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图3. 采用DCA的电池的电化学性能

Designer Cathode Additive for Stable Interphases on High-Energy Anodes. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c04124

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