Accelerating S↔Li2S Reactions in Li–S Batteries through Activation of S/Li2S with a Bifunctional Semiquinone Catalyst

双功能 半醌 催化作用 氧化还原 化学 无机化学 有机化学
作者
Xiaojian Zhu,Tengfei Bian,Xi‐Ming Song,Mengting Zheng,Zhengyuan Shen,Zewen Liu,Zhiwei Guo,Jinling He,Zaiping Zeng,Feng Bai,Liping Wen,Shanqing Zhang,Jun Lü,Yong Zhao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (5) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/anie.202315087
摘要

The reaction rate bottleneck during interconversion between insulating S8 (S) and Li2 S fundamentally leads to incomplete conversion and restricted lifespan of Li-S battery, especially under high S loading and lean electrolyte conditions. Herein, we demonstrate a new catalytic chemistry: soluble semiquinone, 2-tertbutyl-semianthraquinone lithium (Li+ TBAQ⋅- ), as both e- /Li+ donor and acceptor for simultaneous S reduction and Li2 S oxidation. The efficient activation of S and Li2 S by Li+ TBAQ⋅- in the initial discharging/charging state maximizes the amount of soluble lithium polysulfide, thereby substantially improve the rate of solid-liquid-solid reaction by promoting long-range electron transfer. With in situ Raman spectra and theoretical calculations, we reveal that the activation of S/Li2 S is the rate-limiting step for effective S utilization under high S loading and low E/S ratio. Beyond that, the S activation ratio is firstly proposed as an accurate indicator to quantitatively evaluate the reaction rate. As a result, the Li-S batteries with Li+ TBAQ⋅- deliver superior cycling performance and over 5 times higher S utilization ratio at high S loading of 7.0 mg cm-2 and a current rate of 1 C compared to those without Li+ TBAQ⋅- . We hope this study contributes to the fundamental understanding of S redox chemical and inspires the design of efficient catalysis for advanced Li-S batteries.
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