崔屹Science Advances：保留在三维集流体中的过冷液态硫，用于高性能Li-S电池

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2020-05-24

在锂硫（Li-S）电池中，硫和Li₂S的电/离子绝缘性质导致硫物质转化的电子/离子转移动力学比较缓慢。硫和Li₂S在室温下被认为是固体，而固-液相转变是Li-S电池的限制步骤。

有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授报道了可视化了Al，碳，Ni集流体上不同的硫生长行为，并证明（i）与固体硫相比，在Ni上产生的液态硫具有更高的可逆容量，更快的动力学和更好的循环寿命；（ii）Ni促进相变（例如Li₂S分解）。

文章要点

1）研究人员建立了一个用于实时成像和监测硫释放过程的光学单元，以研究反应机理。通过结合原位光学显微镜研究，异位形态和结构表征，电化学性能测试以及理论计算，系统地研究了硫在不同集流体上的生长行为，并将结果与其电化学性能相关联。

2）研究发现，在室温下充电过程中碳表面上出现的固态硫晶体和在镍衬底上生长的液态硫滴。液态硫可实现高迁移率和快速的相变，从而加速氧化还原化学反应并改善电池循环期间的动力学。因此，与固态硫相比，液态硫的可逆容量，反应动力学和循环寿命大大提高。

3）研究人员阐明了Ni可催化Li₂S分解而失活，而Li₂S是极化增加和循环后容量降低的主要原因。最后，设计了轻质的，三维（3D）镍涂层三聚氰胺泡沫塑料，作为高倍率和长寿命Li-S电池的高级电极。

这项工作提供了有关集流体在阐明不同物理状态中硫的关键作用的见解，并阐明了硫状态与电池性能之间的相关性，这将促进高能Li-S电池的电极设计。

Guangmin Zhou, et al, Supercooled liquid sulfur maintained in  three-dimensional current collector for  high-performance Li-S batteries, Sci. Adv., 2020

DOI：10.1126/sciadv.aay5098

https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaay5098