Cluster‐Engineering Enabling Carbonate‐Compatible Li 2 S Cathode for Long‐Life and Safe Quasi‐Solid‐State Batteries with Wide‐Temperature Adaptability

材料科学 适应性 星团(航天器) 阴极 固态 碳酸盐 纳米技术 工程物理 系统工程 电气工程 冶金 计算机科学 工程类 操作系统 生态学 生物
作者
Pengcheng Fu,Yuzhao Liu,Jieshan Qiu,Zhiyu Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (11) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202515280
摘要

Abstract With a superior capacity of 1166 mAh g −1 and oxygen‐free composition, Li 2 S cathode holds promise in developing high‐energy, intrinsically safe lithium batteries, especially when coupling high‐capacity Si anodes. However, this cell design is challenged by the incompatible electrolyte preferences of ether‐stable Li 2 S and carbonate‐friendly Si. Herein, this obstacle is overcome by engineering a cluster‐based Li 2 S cathode compatible with carbonate‐based electrolyte, enabling effective pairing with Si anodes for advancing high‐energy yet safe lithium batteries. Cluster engineering shifts the redox pathway from a conventional solid–liquid–solid route involving soluble lithium polysulfide (LiPS) to direct solid–solid conversion, thereby eliminating LiPS formation and nucleophilic degradation in carbonate. Chemical anchoring of Li 2 S clusters onto hierarchical polymer backbones further promotes solid‐state redox kinetics in carbonate‐based gel polymer electrolytes. This cathode forms in situ during cell formation, addressing the handling and processing difficulty of moisture‐sensitive Li 2 S. The resulting quasi‐solid‐state battery delivers a high specific energy of 434 Wh kg −1 , while achieving stable cycling over 600 cycles and high capacities of 600–1300 mAh g −1 across −20 to 90 °C at high rates up to 2 C. The quasi‐solid‐state pouch cells exhibit robust safety, maintaining stable operation upon nail penetration and mechanical cutting in ambient air.
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