特別說明：本文由米測技術中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
鋰離子電池（LIBs）一直是便攜式設備、電動汽車和固定儲能的關鍵驅動因素，但有限的能量密度和關鍵過渡金屬的高成本限制著它們的進一步應用。探索高能量和可持續(xù)的電化學儲能至關重要。在過去的幾十年里，鋰硫（Li-S）電池因其硫的高豐度和高比容量（1672 mA h g?1），以及超過600 Wh kg?1的比能量而成為一個有前途的候選者。
關鍵問題
然而，鋰硫電池的發(fā)展主要存在以下問題：
1、 鋰硫電池存在多硫化物穿梭和電解質穩(wěn)定性問題
鋰硫電池在低電解質條件下循環(huán)穩(wěn)定性差，主要由于多硫化物的溶解和穿梭效應導致電解質分解和容量衰減。此外，鋰金屬陽極上的不穩(wěn)定固體電解質界面（SEI）會加劇電解質的耗盡。
2、鋰硫電池反應動力學緩慢，限制了倍率性能
少量溶劑化電解質有望實現(xiàn)電極反應與電解質實際體積解耦，鋰硫電池的固固硫反應動力學緩慢，導致倍率性能和循環(huán)壽命較差。尤其是在準固態(tài)電解質條件下，鋰多硫化物的反應速率受限，進一步影響電池性能。
新思路
有鑒于此，北京大學龐全全、鄒如強等人提出了一種表面局部化的多硫化物溶劑化策略，通過利用有機相介質和弱溶劑化電解質來介導“準固體”多硫化物的反應。這種電解質限制了多硫化物的整體溶解，而相介質與表面多硫化物配合，促進了多硫化物在表面的溶劑化，促進了快速的表面局部化溶液相硫反應。采用表面局域相介質的鋰硫電池在16℃下具有494 mA h g?1 -S的優(yōu)良倍率性能，可穩(wěn)定循環(huán)300次，容量保持率為90.2%。該策略使2.4 Ah 331 Wh kg?1袋電池穩(wěn)定運行。該工作強調了表面相介質通過合理設計電解質在控制電極反應途徑和動力學方面的優(yōu)勢。
技術方案：
1、開發(fā)了一種低密度、低濃度的弱溶劑化電解質
作者開發(fā)了基于環(huán)戊基甲基醚（CPME）的弱溶劑化電解質，為鋰金屬陽極穩(wěn)定性提供了基礎。
2、研究了WSE中穩(wěn)定的電極反應
作者發(fā)現(xiàn)使用LiTFSI-CPME電解質的鋰硫電池表現(xiàn)出“準雙平臺”放電曲線，具有準固態(tài)硫反應（QSSSR）特征。
3、提出了一種表面局部化的多硫化鋰（LiPS）溶劑化策略
作者提出了一種表面局部化的LiPS溶劑化策略，通過引入有機硫化物BDTS作為相介質（PM），加速了鋰硫電池中的準固態(tài)硫反應（QSSSR）動力學。
4、分析了相介導的QSSSR過程中硫的形態(tài)變化
通過XRD和X射線吸收光譜分析了BDTS-LiTFSI-CPME電解質中硫的形態(tài)變化，表明BDTS介導的表面局部化溶劑化策略改變了硫的成核和生長路徑。
5、證實了BDTS-LiTFSI-CPME電解質顯著提升了鋰硫電池的性能
作者證實了BDTS-LiTFSI-CPME電解質顯著提升了鋰硫電池的速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性，在貧電解質和高硫負載條件下，電池仍能保持高容量和穩(wěn)定循環(huán)，顯示出良好的實用前景。
技術優(yōu)勢：
1、提出了表面局部化的LiPS溶劑化策略
作者通過設計低密度、低濃度的弱溶劑化電解質（WSE），并引入有機硫化物分子添加劑BDTS作為相介質（PM），實現(xiàn)了表面局部化的溶液相反應，加速了準固態(tài)硫反應，使電極反應與電解質體積解耦，同時減少了電極表面鈍化。
2、設計的電解質實現(xiàn)了鋰硫電池的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能
作者利用環(huán)戊基甲基醚作為溶劑的弱溶劑化電解質，不僅促進了多硫化物的表面溶劑化，還通過形成廣泛的接觸離子對，穩(wěn)定了鋰金屬陽極的SEI層，使得鋰硫電池在高硫負載和貧電解質條件下展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
技術細節(jié)
WSE的溶劑化結構
作者開發(fā)了一種低密度、低濃度的弱溶劑化電解質（WSE），以實現(xiàn)鋰硫電池中的QSSSR。研究選擇環(huán)戊基甲基醚（CPME）作為溶劑，其具有低介電常數(shù)（4.76）、低密度（0.984 g cm?3）、高沸點（106℃）以及顯著的環(huán)戊基位阻，從而降低了溶劑化能力。通過拉曼光譜和?Li核磁共振（NMR）分析，發(fā)現(xiàn)CPME中的TFSI?在Li?溶劑化殼層中占主導地位，與經(jīng)典的DME電解質相比，CPME顯著抑制了多硫化鋰（LiPSs）的溶解度，僅為~8 mM。分子動力學模擬表明，CPME的弱溶劑化特性導致了更強的Li?-TFSI?配位，且Li?主要以三重和四重配位形式存在。這種獨特的溶劑化結構不僅實現(xiàn)了低粘度（1.24 mPa s），還為鋰金屬陽極的穩(wěn)定性提供了基礎。
圖 提出的表面定位溶劑化介導的QSSSR原理圖
圖 電解質溶劑化結構表征
WSE中穩(wěn)定的電極反應
作者通過表征硫反應行為，發(fā)現(xiàn)使用LiTFSI-CPME電解質的鋰硫電池表現(xiàn)出“準雙平臺”放電曲線，具有準固態(tài)硫反應（QSSSR）特征，抑制了多硫化鋰（LiPS）穿梭，實現(xiàn)99.8%的高庫侖效率和超過100次的穩(wěn)定循環(huán)。此外，LiTFSI-CPME電解質在鋰金屬陽極上形成了富無機SEI層，主要包含LiF、Li?S?O?和Li-N物質，顯著提高了鋰金屬的穩(wěn)定性和庫侖效率。這種電解質的低粘度和低鹽濃度有利于實際鋰硫電池的性能優(yōu)化。
圖 使用LiTFSI-CPME和LiTFSI-DME電解質的電極反應行為
QSSSR的相位介導效應
作者提出了一種表面局部化的多硫化鋰（LiPS）溶劑化策略，通過引入有機硫化物分子BDTS作為相介質（PM），加速了鋰硫電池中的準固態(tài)硫反應（QSSSR）動力學。在LiTFSI-CPME電解質中，BDTS作為PM，通過與LiPS表面的強絡合，將“準固體”LiPS的反應轉變?yōu)楸砻婢植炕娜芤合喾磻@著提高了反應動力學。實驗表明，BDTS在放電初期被還原，充電末期被氧化，其還原態(tài)（BDTSRed）與Li?S?形成可溶性絡合物（BDTSRed-Li?S?），促進了LiPS的表面溶劑化。此外，BDTSRed對Li?S/S?的差異化絡合能力使其在循環(huán)中可重復利用，維持了全局的QSSSR。這種策略顯著降低了電池極化，提高了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，為高性能鋰硫電池的設計提供了新思路。
圖 BDTS-LiTFSI-CPME電解液中的相位介導效應
硫形態(tài)動力學
作者通過XRD和X射線吸收光譜分析了相介導的QSSSR過程中硫的形態(tài)變化。結果顯示，BDTS-LiTFSI-CPME電解質中S?的消耗速度更快，放電初期S?消耗率可達90%，顯著優(yōu)于無BDTS的LiTFSI-CPME電解質。此外，Li?S的結晶在BDTS-LiTFSI-CPME中延遲出現(xiàn)，且形成的Li?S具有更小的相干長度（約11.8 nm），表明Li?S從表面定位的LiPSs溶液中析出。充電時，BDTS-LiTFSI-CPME電解質中觀察到正交α-S?的形成，與LiTFSI-DME中的單斜晶β-S?和LiTFSI-CPME中的單斜晶γ-S?形成對比。這種獨特的硫相變化表明，BDTS介導的表面局部化溶劑化策略顯著改變了硫的成核和生長路徑，從而提升了鋰硫電池的反應動力學和循環(huán)性能。
圖 硫形態(tài)動力學的原位X射線研究
電化學性能
BDTS-LiTFSI-CPME電解質顯著提升了鋰硫電池的速率能力和循環(huán)穩(wěn)定性。在30°C下，該電池在10C高倍率下仍能保持583mAh/g的容量，遠高于傳統(tǒng)電解質。在55°C時，電池在12C和16C超高倍率下分別輸出692mAh/g和494mAh/g。此外，該電池在0.2C/0.1C下循環(huán)300次后容量保持率高達90%，在2C/0.5C下300次循環(huán)也表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。在實用條件下，如5.0μL/mg的貧電解質和3.0mg/cm2的高硫負載下，電池在100次循環(huán)中保持800mAh/g的容量。這些結果證明了表面局部化相介質策略在實際鋰硫電池中的巨大潛力。
圖 鋰電池在BDTS-LiTFSI-CPME電解液中的電化學性能
展望
總之，作者提出一種表面局部化的溶劑化策略，利用具有弱溶劑化效應（WSE）的有機分子PM，介導“準固體”多硫化鋰（LiPSs）的反應?；诃h(huán)戊基甲醚（CPME）的WSE電解質通過限制LiPSs溶解和抑制鋰枝晶生長，實現(xiàn)了快速的硫氧化還原動力學和穩(wěn)定的鋰金屬陽極。該策略顯著提升了鋰硫電池的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，使其在實際條件下（如331 Wh/kg的軟包電池）表現(xiàn)出色。此外，CPME基電解質成本低，具有廣泛的應用潛力。
參考文獻：
Liu, Y., An, Y., Fang, C. et al. Surface-localized phase mediation accelerates quasi-solid-state reaction kinetics in sulfur batteries. Nat. Chem. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01735-w
