A Class of Organopolysulfides As Liquid Cathode Materials for High-Energy-Density Lithium Batteries

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作者
Amruth Bhargav,Michaela Elaine Bell,Jonathan A. Karty,Yi Cui,Yongzhu Fu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:10 (25): 21084-21090 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acsami.8b06803
摘要

Sulfur-based cathodes are promising to enable high-energy-density lithium-sulfur batteries; however, elemental sulfur as active material faces several challenges, including undesirable volume change (∼80%) when completely reduced and high dependence on liquid electrolyte wherein an electrolyte/sulfur ratio >10 μL mg-1 is required for high material utilization. These limit the attainable energy densities of these batteries. Herein, we introduce a new class of phenyl polysulfides C6H5S xC6H5 (4 ≤ x ≤ 6) as liquid cathode materials synthesized in a facile and scalable route to mitigate these setbacks. These polysulfides possess sufficiently high theoretical specific capacities, specific energies, and energy densities. Spectroscopic techniques verify their chemical composition and computation shows that the volume change when reduced is about 37%. Lithium half-cell testing shows that phenyl hexasulfide (C6H5S6C6H5) can provide a specific capacity of 650 mAh g-1 and capacity retention of 80% through 500 cycles at 1 C rate along with superlative performance up to 10 C. Furthermore, 1302 Wh kg-1 and 1720 Wh L-1 are achievable at a low electrolyte/active material ratio, i.e., 3 μL mg-1. This work adds new members to the cathode family for Li-S batteries, reduces the gap between the theoretical and practical energy densities of batteries, and provides a new direction for the development of alternative high-capacity cathode materials.
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