Altering the reaction mechanism to eliminate the shuttle effect in lithium-sulfur batteries

硫黄 机制(生物学) 材料科学 锂(药物) 纳米技术 化学工程 工程类 哲学 认识论 医学 冶金 内分泌学
作者
Huanxin Li,Shuai Ma,Jiawen Li,Fuyu Liu,Haihui Zhou,Zhongyuan Huang,Shuqiang Jiao,Yafei Kuang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:26: 203-212 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2020.01.002
摘要

Lithium-sulfur (Li–S) battery is one of the most promising energy storage devices. However, the development of Li–S battery is seriously hindered by the “shuttle effect” of polysulfides. Up to now, almost in all the researches related to sulfur cathode, the polysulfide motion restricting strategy is used to suppress the “shuttle effect”. However, this issue still cannot be thoroughly solved. Here, we report a new polysulfide generation restricting strategy to eliminate the “shuttle effect” in Li–S batteries by turning the S8 molecules into stably adsorbed small sulfur species with suitable solid redox mediators (RMs) to generate an S2σ−-RMσ+ at the very beginning. In this way, the mediators (S2σ−-RMσ+) are reduced into Li2S2 and Li2S directly without soluble polysulfide forming during the discharging process. Therefore, the “shuttle effect” of polysulfides (Li2S8, Li2S6, and Li2S4) is absolutely eliminated. This new polysulfide generation restricting strategy is realized by using a TiOxNy-TiO2 quantum [email protected] composite ([email protected]) as a sulfur host. The [email protected] is proved to be an efficient RM to convert S8 molecules into stably adsorbed S2σ−-RMσ+ species, eliminating the formation of lithium polysulfide completely. Owing to the new mechanism, the Li–S battery with [email protected] host achieves a capacity of 869 ​mA ​h ​g−1 (96% of the initial capacity) after 200 cycles with a low capacity decay of 0.02% per cycle. This strategy provides a new way to thoroughly solve the “shuttle effect” in Li–S batteries.
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