【文章内容】

我们设计了一种原位聚合的固态电解质可以有效降低锂硫电池的液/硫比。该成果以题为“Quasi-solid-state Sulfur Cathode with Ultralean Electrolyte via In Situ Polymerization”发表在国际知名期刊Energy Storage Materials上，第一作者为石婷。

【研究背景】

锂硫电池被寄希望作为较有潜力的下一代锂电池储能体系，可以提高电池体系的能量密度。但是，锂硫电池的反应动力学较差，需要引入大量的电解液加快电池的反应进程，这使得锂硫电池面临着电解液严重过量的问题，电池的实际能量密度大打折扣。为了降低电解液的过量比，针对电解液体系进行设计优化是迫在眉睫的。原位聚合制备准固态电解质，方法简单，可控性强，被认为是最有希望应用的电解质改性方法之一。使用原位聚合的电解质，可以保证电池反应动力学，降低电解液使用量。

图1. 锂硫电池在贫液和富液条件下工作特点：（a）液态电解质，（b）准固态电解质。

【研究亮点】

亮点一：准固态电解质对多硫离子穿梭效应抑制

使用常见的液体电解质，锂硫电池中会面临着严重的穿梭效应，导致了电池的活性物质不断损失，容量逐渐衰减。采用准固态的电解质可以限制多硫离子中间产物的穿梭扩散，将其限制在正极侧，减少了电解液活性物质的不可逆消耗。使用直观的光学静置观察扩散实验和原位拉曼测试证明了准固态电解质对多硫离子的限制作用。

图2. 准固态电解质对多硫离子的穿梭抑制：（a）液态电解质的静置测试，（b）准固态电解质的静置测试。（c）原位拉曼测试示意图，（d-e）液体电解液的原位拉曼测试结果，（f-g）准固态的原位拉曼测试结果。

亮点二：原位聚合电解质与硫多孔电极之间的良好接触

原位聚合的方法可以最大限度实现低液硫比条件下有限电解质的科学分布和高效利用，并在循环过程中防止“退浸润”现象的发生，可以有效提升贫液条件下活性物质的利用率和电池的循环稳定性。

图3. 原位聚合电解质与硫电极复合：（a）硫多孔电极，（b）准固态电解质与硫电极复合。（c）液态和准固态锂硫电池的循环性能，（d）对应的充放电曲线。

亮点三：准固态电解质降低锂硫电池电解液使用量

得益于准固态电解质对多硫离子的限制作用，金属锂与多硫化物、电解质之间的副反应消耗程度被大大减小，可以实现锂硫在超贫液（E/S=1 μL mg-1）下的正常放电，并且可以在（E/S=3 μL mg-1）的条件下进行循环。严格的贫液测试条件，对锂硫电池研究领域显得十分重要。

图4. 锂硫电池在贫液条件下的电化学性能：（a-c）准固态电解质，（d-f）液态电解质下的不同电解液添加量的充放电曲线。电池的在不同贫液条件下的循环性能对比：（g）E/S=4 μL mg-1，（h）E/S=3 μL mg-1。

【文献链接】

Quasi-solid-state Sulfur Cathode with Ultralean Electrolyte via In Situ Polymerization.