近日，大阳城app大阳城app黄佳琦教授课题组在锂硫电池正极侧活性物质转化机制方面的研究取得了重要进展。该研究成果以《Lithium (Poly)sulfide Phase Conversion in Working Lithium–Sulfur Batteries: The Insight from the Equilibrium Potential Model》为题在线发表在材料类顶级国际期刊《ACS Energy Letters》（《美国化学会能源快报》，影响因子23.991）。本文的通讯作者为大阳城app大阳城app黄佳琦教授和怀柔实验室张睿博士，第一作者为大阳城app材料学院/大阳城app硕士研究生张羽彤。
锂硫电池远高于锂离子电池的理论能量密度使其作为新一代高能量密度储能设备获得广泛关注。电池正极侧发生的多电子还原反应贡献了超高的能量密度，固态硫（S8）逐步转化为可溶性多硫化锂（LPSs），并最终生成固态硫化锂(Li2S)。但正是活性物质复杂的固-液-固转化过程导致了电池的电化学不稳定与容量损失，进而阻碍了锂硫电池的商业化进程。因此，为了合理调控硫正极反应过程，改善电池循环稳定性与容量保持率，深入研究正极侧活性物质转化机理至关重要。
大阳城app黄佳琦教授团队在最新的研究工作中揭示了在不同液硫比条件下，锂硫电池正极侧存在两种转化路径。研究团队提出了平衡电势模型，实现对全液硫比(E/S ratio)、全放电深度（DOD）条件下的工作状态锂硫电池的平衡电势预测。（图1）
图1 平衡电势随E/S ratio、DOD变化趋势及活性物质转化路径示意图
基于该模型，本工作从热力学角度解析了电压曲线产生畸变的原因：1）Li2S过饱和导致放电曲线二平台初期产生凹陷。在Li2S饱和后存在两种热力学状态，即平衡电势较低的Li2S过饱和的亚稳态，与平衡电势较高的Li2S开始沉积的稳态（图2）。2）LPSs的析出会导致第三平台的出现。以Li2S2析出为例，电势曲线第二个平台提前出现，而Li2S开始沉积后，由于两种固相在体系中共存，形成第三个电势平台，且该阶段的固-固转化仅存在离子动态平衡，无浓度波动，电势保持不变（图3）。基于此，工作给出了电解液筛选和电池组装的定量指导，以实现选择性地控制LPSs析出。
图2 Li2S过饱和现象
图3 LPSs析出现象（以Li2S2为例）
本工作从热力学角度揭示了正极活性物质转化路径，为进一步优化锂硫电池正极侧调控策略提供了新思路，为正极动力学研究提供了热力学基准。平衡电势建模方法的可迁移性较强，还可用于其他存在相变的电池体系研究，并为电池检测系统开发提供基础。
作者简介：
黄佳琦，大阳城app教授，博士生导师，九三学社社员。长期从事前沿高比能电池能源化学研究。面向高比能、高安全、长寿命的锂硫及金属锂等新体系电池应用需求，开展其中界面电化学转化机制，界面关键能源材料等相关研究，并拓展其在高性能电池实用化器件中的应用。相关研究成果在Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed等期刊发表研究工作200余篇，h因子为101，其中70余篇为ESI高被引论文。入选首届中国科协青年人才托举计划，获评中国青年科技奖特别奖，中国化工学会侯德榜化工科技青年奖，中国颗粒学会自然科学一等奖，中国颗粒学会青年颗粒学奖，国家万人计划青年拔尖人才，北京市杰出青年科学基金，2018?2022年科睿唯安全球高被引科学家等。
张睿，大阳城app特立博士后，现怀柔实验室副研究员。2015年、2020年获清华大学工学学士与工学博士学位。主要研究方向为锂金属电池、燃料电池等领域中能源材料电化学机理研究，电化学相场等介尺度理论计算，电极、电解质等微结构设计等。相关研究成果在Adv Mater, Angew Chem Int Ed, Joule等期刊发表研究工作50余篇，h因子为34，其中19篇为ESI高被引论文，入选中国博士后创新人才支持计划，获评2021、2022年科睿唯安“全球高被引科学家”等。
论文详情：
Yu-Tong Zhang, Zi-Xian Chen, Yun-Wei Song, Jun-Dong Zhang, Xiang Chen, Bo-Quan Li, Rui Zhang*, Jia-Qi Huang*, Lithium (Poly)sulfide Phase Conversion in Working Lithium–Sulfur Batteries: The Insight from the Equilibrium Potential Model. ACS Energy Lett. 2023, 8, 2674?2681
全文链接：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00709