Revealing the Hidden Polysulfides in Solid-State Na–S Batteries: How Pressure and Electrical Transport Control Kinetic Pathways

化学 电解质 多硫化物 溶解 环境压力 无定形固体 相(物质) 相图 溶解度 X射线光电子能谱 化学工程 电极 热力学 有机化学 结晶学 物理化学 工程类 物理
作者
Quoc Hung Nguyen,Mikael Dahl Kanedal,Juraj Todt,Feng Jin,Quyen Do,Dóra Zalka,Alexey Maximenko,Dragos Stoian,Norbert Schell,Wouter van Beek,Harald Fitzek,Johannes Rattenberger,Valerie Siller,Steven T. Boles,Mario El Kazzi,Jozef Kečkéš,Daniel Rettenwander
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (27): 23492-23503 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.5c00465
摘要

Room temperature operation of Na-S batteries with liquid electrolytes is plagued by fundamental challenges stemming from polysulfide solubility and their shuttle effects. Inorganic solid electrolytes offer a promising solution by acting as barriers to polysulfide migration, mitigating capacity loss. While the sequential formation of cycling products in molten-electrode and liquid electrolytes-based Na-S batteries generally aligns with the expectations from the Na-S phase diagram, their presence, stability, and transitory behavior in systems with inorganic solid electrolytes at room temperature, remain poorly understood. To address this, we employed operando scanning microbeam X-ray diffraction, operando X-ray photoelectron spectroscopy and ex-situ X-ray absorption spectroscopy to investigate the sulfur conversion mechanisms in Na-S cells with Na3PS4 and Na4(B10H10)(B12H12) electrolytes. Our findings reveal the formation of crystalline and amorphous polysulfides, including those predicted by the Na-S phase diagram (e.g., Na2S5, Na2S4, Na2S2, Na2S), high-order polysulfides observed in liquid-electrolyte systems (e.g., Na2Sx, where x = 6-8), and phases like Na2S3 typically stable only under high-temperature or high-pressure conditions. We demonstrate that these transitions are governed by diffusion-limited kinetics and localized stress concentrations, emphasizing the critical role of pressure, which serves as both a thermodynamic variable, as well as a design parameter, for optimizing solid-state Na-S battery performance necessary for pushing these cells closer to the commercial frontier.
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