Discretized Analysis of Polysulfide Shuttle Dynamics in Lithium-Sulfur Batteries

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作者
Saeme Motevalian,Aqsa Nazir,Anil D. Pathak,Georgina Jahan,Dambar Hamal,Bilal El‐Zahab
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:172 (4): 040516-040516 被引量:1
标识
DOI:10.1149/1945-7111/adca06
摘要

The polysulfide shuttle effect remains a fundamental challenge in lithium-sulfur batteries, particularly for high-energy-density applications where conventional mitigation strategies prove insufficient. Here, we introduce a state-resolved methodology for quantifying shuttle current by analyzing Coulombic efficiency across discretized charging blocks, addressing limitations in traditional voltage-dependent measurement techniques. Through systematic analysis of cells with and without LiNO 3 additive, we demonstrate that shuttle activity peaks at 60%–70% state-of-charge (SOC), correlating with maximum Li 2 S 4 concentration as confirmed by UV–vis spectroscopy. The block efficiency analysis reveals distinct patterns: cells without LiNO 3 show efficiency dropping to 60% in the mid-SOC region, while LiNO 3 -containing cells maintain minimum efficiency around 80%, demonstrating approximately 70% suppression of peak shuttle current. Electrochemical impedance analysis further reveals how polysulfide evolution affects transport processes, with bulk resistance peaking at mid-SOC due to pore blockage, while interfacial resistance changes reflect the transition between different polysulfide species. By correlating block efficiency with polysulfide speciation, we establish that Li 2 S 4 drives shuttle activity through its optimal balance of solubility and mobility, while larger Li 2 S 8 species contribute less despite higher solubility. This work provides quantitative insights into shuttle current distribution across different SOC ranges while establishing a robust methodology for evaluating shuttle suppression strategies.
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