Understanding the lithium–sulfur battery redox reactions via operando confocal Raman microscopy

多硫化物 氧化还原 电化学 动力学 拉曼光谱 化学 扫描电化学显微镜 硫黄 材料科学 化学工程 纳米技术 电极 无机化学 物理化学 有机化学 光学 物理 工程类 电解质 量子力学
作者
Shuang‐Yan Lang,Seung‐Ho Yu,Xinran Feng,Mihail R. Krumov,Héctor D. Abruña
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:30
标识
DOI:10.1038/s41467-022-32139-w
摘要

Abstract The complex interplay and only partial understanding of the multi-step phase transitions and reaction kinetics of redox processes in lithium–sulfur batteries are the main stumbling blocks that hinder the advancement and broad deployment of this electrochemical energy storage system. To better understand these aspects, here we report operando confocal Raman microscopy measurements to investigate the reaction kinetics of Li–S redox processes and provide mechanistic insights into polysulfide generation/evolution and sulfur deposition. Operando visualization and quantification of the reactants and intermediates enabled the characterization of potential-dependent rates during Li–S redox and the linking of the electronic conductivity of the sulfur-based electrode and concentrations of polysulfides to the cell performance. We also report the visualization of the interfacial evolution and diffusion processes of different polysulfides that demonstrate stepwise discharge and parallel recharge mechanisms during cell operation. These results provide fundamental insights into the mechanisms and kinetics of Li–S redox reactions.
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