Unraveling the Reaction Mechanism of Sulfur Cathode in All-Solid-State Sodium-Sulfur Batteries via Spectroscopic and Theoretical Investigation

硫黄 阴极 机制(生物学) 固态 化学 材料科学 无机化学 物理化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Tongtai Ji,Qingsong Tu,Deyu Lu,Dominik Wierzbicki,Yonghua Du,Vincent Plisson,Ying Wang,Jiwei Wang,Ken Burch,Hongli Zhu
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2024-jlhkm
摘要

The investigation of all-solid-state sodium-sulfur batteries (ASSSBs) is in the early stage, where the intermediates and mechanism of the complex 16-electron conversion reaction of the sulfur cathode are still unclear. Herein, this study for the first time presents a comprehensive investigation of the sulfur reaction mechanism in ASSSBs by combining electrochemical measurements, ex-situ synchrotron X-ray absorption spectroscopy (XAS), in-situ Raman spectroscopy, and first-principles calculations. Based on the thermodynamic mechanism, the sulfur cathode undergoes a three-step solid-solid redox reaction, with S8 first reducing to Na2S5 and Na2S4, then to Na2S2, and finally to Na2S, resulting in a three-plateau voltage profile. However, under kinetic limitations, the Na2S2 phase is skipped, leading to a direct conversion from Na2S4 to Na2S and a two-plateau voltage profile. First-principles calculations reveal that the formation energy of Na2S2 is only 4 meV/atom lower than the two-phase equilibrium of Na2S4 and Na2S, explaining its absence under conventional cycling conditions. This work clarified the thermodynamic and kinetic limited pathways of the 16-electron conversion reaction of the sulfur cathode in ASSSBs, thereby facilitating the development of high-performance ASSSBs.

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