Energy Threshold of Nonlinear Sulfur Solubility for Li–S Batteries

化学 溶解度 硫黄 非线性系统 能量(信号处理) 有机化学 物理 统计 数学 量子力学
作者
Keying Guo,Xiaosheng Song,Zhengyuan Shen,Xuebing Zhu,Jun Wei,Qing Han,X. Qian,Zhaoqing Jin,Jianhao Lu,Weikun Wang,Yong Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c17438
摘要

Unclear regulation mechanisms of solid solubility make it difficult to accurately control its concentration, posing challenges for accelerating chemical reactions. Herein, we use a model system to determine the effects of solvent type and ratio, concentration, and type of lithium salt on sulfur solubility. Our findings reveal a nonlinear relationship between sulfur solubility and both lithium salt concentration and the ratio of different solvents in composite solutions. Importantly, significant differences in sulfur solubility are discovered with changes in the solvation structure regulated by the type of salt anion. Quantitative evaluation of nonlinear sulfur solubility is illustrated to be breaking the threshold value of the interaction energy between the solute and solvent molecules. Based on these findings, simultaneous regulation of sulfur and lithium polysulfide concentrations in ether electrolytes can be achieved by controlling the concentration and type of salts. As a result, a liquid-liquid-solid reaction pathway is supported for lithium-sulfur batteries with a finite amount of electrolyte in the coin cell, and the pouch cell shows an energy density of 554 Wh kg-1, ranking at the top level of the reported system.
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