Unique aqueous Li-ion/sulfur chemistry with high energy density and reversibility

多硫化物 电解质 化学 水溶液 硫黄 无机化学 阳极 电化学 溶解 法拉第效率 阴极 化学工程 有机化学 电极 物理化学 工程类
作者
Chongyin Yang,Liumin Suo,Oleg Borodin,Fei Wang,Wei Sun,Tao Gao,Xiulin Fan,Singyuk Hou,Zhaohui Ma,Khalil Amine,Kang Xu,Chunsheng Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:114 (24): 6197-6202 被引量:177
标识
DOI:10.1073/pnas.1703937114
摘要

Leveraging the most recent success in expanding the electrochemical stability window of aqueous electrolytes, in this work we create a unique Li-ion/sulfur chemistry of both high energy density and safety. We show that in the superconcentrated aqueous electrolyte, lithiation of sulfur experiences phase change from a high-order polysulfide to low-order polysulfides through solid-liquid two-phase reaction pathway, where the liquid polysulfide phase in the sulfide electrode is thermodynamically phase-separated from the superconcentrated aqueous electrolyte. The sulfur with solid-liquid two-phase exhibits a reversible capacity of 1,327 mAh/(g of S), along with fast reaction kinetics and negligible polysulfide dissolution. By coupling a sulfur anode with different Li-ion cathode materials, the aqueous Li-ion/sulfur full cell delivers record-high energy densities up to 200 Wh/(kg of total electrode mass) for >1,000 cycles at ∼100% coulombic efficiency. These performances already approach that of commercial lithium-ion batteries (LIBs) using a nonaqueous electrolyte, along with intrinsic safety not possessed by the latter. The excellent performance of this aqueous battery chemistry significantly promotes the practical possibility of aqueous LIBs in large-format applications.

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