Effect of Electrolyte Chemistry and Sulfur Content in Li||Sulfurized Polyacrylonitrile (SPAN) Batteries

聚丙烯腈 材料科学 电解质 硫黄 无机化学 跨度(工程) 化学工程 聚合物 化学 复合材料 冶金 电极 物理化学 工程类 土木工程
作者
Kunpeng Yu,Guorui Cai,Mingqian Li,Junlin Wu,Varun Gupta,Dong Ju Lee,John Holoubek,Zheng Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (37): 43724-43731 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.3c08338
摘要

Sulfurized polyacrylonitrile (SPAN) is considered as a high-value cathode material, which leverages the high energy of S redox while mitigating the negative externalities that limit elemental S cycling. As such, the sulfur content in Li-SPAN batteries plays a critical role. In this work, we demonstrate that high-S loading SPAN cathodes, where the PAN backbone approaches the saturation point without signs of elemental S, are highly dependent on the electrolyte chemistry for long-term reversibility. Specifically, we find that a localized-high-concentration electrolyte (LHCE) further enhances the reversible capacity and cycling stability of SPAN cathode with optimized S content relative to a carbonate control, largely due to the formation of a compatible interphase. With this LHCE as the electrolyte and 43% sulfur ratio of SPAN as the cathode, a full cell applying N/P ratio = 1.82, a cathode loading of 6 mAh cm–2 (9.2 mg cm–2), and an electrolyte loading of 7 μL mg–1 SPAN can be cycled for 100 cycles with 433 mAh g–1 retained capacity and retains much of this reversibility even at 60 °C. This work reveals the molecular origin of optimized sulfur ratio in SPAN cathodes while providing guidance in electrolyte design for Li||SPAN cells with high capacity and cyclability.
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