Structural Transformation in a Sulfurized Polymer Cathode to Enable Long-Life Rechargeable Lithium–Sulfur Batteries

化学 阴极 锂(药物) 聚合物 硫黄 有机化学 物理化学 医学 内分泌学
作者
Shen Wang,Bingyu Lu,Diyi Cheng,Zhaohui Wu,Shijie Feng,Minghao Zhang,Weikang Li,Qiushi Miao,Maansi Patel,Jiaqi Feng,Emma Hopkins,Jianbin Zhou,Saurabh Parab,Bhargav Bhamwala,Bor Yann Liaw,Ying Shirley Meng,Ping Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (17): 9624-9633 被引量:115
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00628
摘要

Sulfurized polyacrylonitrile (SPAN) represents a class of sulfur-bonded polymers, which have shown thousands of stable cycles as a cathode in lithium-sulfur batteries. However, the exact molecular structure and its electrochemical reaction mechanism remain unclear. Most significantly, SPAN shows an over 25% 1st cycle irreversible capacity loss before exhibiting perfect reversibility for subsequent cycles. Here, with a SPAN thin-film platform and an array of analytical tools, we show that the SPAN capacity loss is associated with intramolecular dehydrogenation along with the loss of sulfur. This results in an increase in the aromaticity of the structure, which is corroborated by a >100× increase in electronic conductivity. We also discovered that the conductive carbon additive in the cathode is instrumental in driving the reaction to completion. Based on the proposed mechanism, we have developed a synthesis procedure to eliminate more than 50% of the irreversible capacity loss. Our insights into the reaction mechanism provide a blueprint for the design of high-performance sulfurized polymer cathode materials.
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