Role of Polysulfide Anions in Solid-Electrolyte Interphase Formation at the Lithium Metal Surface in Li–S Batteries

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作者
Kie Hankins,Venkateshkumar Prabhakaran,Sungun Wi,Vaithiyalingam S. Shutthanandan,Grant E. Johnson,Swadipta Roy,Hui Wang,Yuyan Shao,Suntharampillai Thevuthasan,Perla B. Balbuena,Karl Todd Mueller,Vijayakumar Murugesan
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (38): 9360-9367 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c01930
摘要

Delineating intricate interactions between highly reactive Li-metal electrodes and the diverse constituents of battery electrolytes has been a long-standing scientific challenge in materials design for advanced energy storage devices. Here, we isolated lithium polysulfide anions (LiS 4 – ) from an electrolyte solution based on their mass-to-charge ratio and deposited them on Li-metal electrodes under clean vacuum conditions using ion soft landing (ISL), a highly controlled interface preparation technique. The molecular level precision in the construction of these model interfaces with ISL, coupled with in situ X-ray photoelectron spectroscopy and ab initio theoretical calculations, allowed us to obtain unprecedented insight into the parasitic reactions of well-defined polysulfides on Li-metal electrodes. Our study revealed that the oxide-rich surface layer, which is amenable to direct electron exchange, drives multielectron sulfur oxidation (S 0 → S 6+ ) processes. Our results have substantial implications for the rational design of future Li–S batteries with improved efficiency and durability.
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