Unique aqueous Li-ion/sulfur chemistry with high energy density and reversibility

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作者
Chongyin Yang,Liumin Suo,Oleg Borodin,Fei Wang,Wei Sun,Tao Gao,Xiulin Fan,Singyuk Hou,Zhaohui Ma,Khalil Amine,Kang Xu,Chunsheng Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:114 (24): 6197-6202 被引量:203
标识
DOI:10.1073/pnas.1703937114
摘要

Leveraging the most recent success in expanding the electrochemical stability window of aqueous electrolytes, in this work we create a unique Li-ion/sulfur chemistry of both high energy density and safety. We show that in the superconcentrated aqueous electrolyte, lithiation of sulfur experiences phase change from a high-order polysulfide to low-order polysulfides through solid-liquid two-phase reaction pathway, where the liquid polysulfide phase in the sulfide electrode is thermodynamically phase-separated from the superconcentrated aqueous electrolyte. The sulfur with solid-liquid two-phase exhibits a reversible capacity of 1,327 mAh/(g of S), along with fast reaction kinetics and negligible polysulfide dissolution. By coupling a sulfur anode with different Li-ion cathode materials, the aqueous Li-ion/sulfur full cell delivers record-high energy densities up to 200 Wh/(kg of total electrode mass) for >1,000 cycles at ∼100% coulombic efficiency. These performances already approach that of commercial lithium-ion batteries (LIBs) using a nonaqueous electrolyte, along with intrinsic safety not possessed by the latter. The excellent performance of this aqueous battery chemistry significantly promotes the practical possibility of aqueous LIBs in large-format applications.
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