Cation-Directed Selective Polysulfide Stabilization in Alkali Metal–Sulfur Batteries

多硫化物 化学 碱金属 无机化学 电解质 硫黄 金属 物理化学 电极 有机化学
作者
Qingli Zou,Zhuojian Liang,Guan-Ying Du,Chi‐You Liu,Elise Y. Li,Yi‐Chun Lu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (34): 10740-10748 被引量:91
标识
DOI:10.1021/jacs.8b04536
摘要

Alkali metal sulfur redox chemistry offers promising potential for high-energy-density energy storage. Fundamental understanding of alkali metal sulfur redox reactions is the prerequisite for rational designs of electrode and electrolyte. Here, we revealed a strong impact of alkali metal cation (Li+, Na+, K+, and Rb+) on polysulfide (PS) stability, redox reversibility, and solid product passivation. We employed operando UV-vis spectroscopy to show that strongly negatively charged short-chain PS (e.g., S42-/S32-) is more stabilized in the electrolyte with larger cation (e.g., Rb+) than that with the smaller cation (e.g., Li+), which is attributed to a stronger cation-anion electrostatic interaction between Rb+ and S42-/S32- owing to its weaker solvation energy. In contrast, Li+ is much more strongly solvated by solvent and thus exhibits a weaker electrostatic interaction with S42-/S32-. The stabilization of short-chain PS in K+-, Rb+-sulfur cells promotes the reduction of long-chain PS to short-chain PS, leading to high discharge potential. However, it discourages the oxidation of short-chain PS to long-chain PS, leading to poor charge reversibility. Our work directly probes alkali metal-sulfur redox chemistry in operando and provides critical insights into alkali metal sulfur reaction mechanism.
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