随着科学探索逐渐步如地核与深空等难以充电的未知领域，高能量密度一次电池再次成为人们关注的重点。在目前所有的电对中，锂硫电池具有2600 Wh/kg的极高理论能量密度，是最具潜力的一次电池体系之一。然而，由于以下两大挑战，锂硫一次电池尚未实现实用化。首要挑战为其远低预期的实际能量密度（≤ 500 Wh/kg）：过多用于促进硫转化的非活性物质（电解液与导电碳）的加入增大了体系质量负担（> 80 wt%）；缓慢的固体-液体-固体转化降低了容量利用率（< 71%，S：< 1200 mAh/g）。另一挑战为差强人意的储能性能：单质硫会不断从正极溶解（在DME中为9.957 mM，S₈ₛ → S₈ₛₒₗ），并通过浓度梯度扩散到负极对金属锂腐蚀产成LiS₂Sₓ（S₈ₛₒₗ+ Li → LiS₂Sₓ），最终导致正负极的容量在储存过程中不断损失。
由于这些本质上相互关联的问题发生在整个电池体系中（正极侧、电解液侧和负极侧），传统的局部优化方式如添加正极催化剂或强化负极SEI往往不能同时兼顾实际能量密度与储存性能的需求。鉴于电解液在整个电池系统中的桥梁作用，从电解液入手，逐步解决上述两大困难成为了理想的切入点。考虑到锂硫电池的过大质量主要来源于电解液（58.5% vs. 22.2 wt%, 传统锂离子电池），如何在不影响性能的前提下降低电解液质量成为了提高能量密度的重中之重。为此，传统解决方法为降低电解液体积。然而，多孔正极和硫的固-液-固转换机制对电解液的量有本质的要求。无限制地减少电解液体积会造成正极浸润不足，损害容量释放，最终适得其反。相反，质量公式m = ρ × V表明，当降低电解液体积趋近边际效应时，降低密度能够进一步有效降低电解液质量。
基于此，来自中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心怀柔研究部HE-E01组，北京清洁能源前沿研究中心索鎏敏研究员课题组以及来自北京科技大学的毛慧灿博士课题组针对锂硫一次电池实用化的两大挑战，提出了一种具有封装溶剂化结构的超轻电解液策略。通过针对性地引入链状单氧甲基叔丁基醚（MTBE）来构建超轻电解液（UE，0.4 m LiTFSI + 0.2 m LiNO₃ in DME/MTBE = 1/1 vol%），不仅使电解液质量降低了23.1%，更使容量利用率提高了38.1%。此外，结合引入氟化石墨（CFₓ）的复合硫基正极策略，体系的能量密度得到进一步提升。在为期31天的静置实验中S-CFₓ || UE || Li体系展现出卓越的存储性能。最终，在软包级别的评估中，该体系组装的300 mAh级电池实现了661 Wh/kg的突破性能量密度以及低自放电率。
1. 超轻电解液的设计思路
图1. 超轻电解液设计过程。（a）MTBE的设计流程示意图；（b）不同种类典型溶剂的偶极矩；（c）、（d）不同种类溶剂密度的统计数据；（e）不同链状单氧醚的电化学性能。
2. 超轻电解液的三重优势
图2. UE的物化性质。（a）CE与UE的密度对比；（b）CE与UE的电化学性能对比；（c）CE与UE在不同温度下的粘度对比；（d）CE与UE在不同温度下的离子电导率对比；（e）CE和UE在不同多硫化物环境下的粘度与离子电导率对比；（f）Li₂S₈在相应溶剂中的溶解性对比。
图3. UE的封装溶剂化结构。（a）、（b）不同溶剂的循环伏安曲线；（c）不同溶剂添加Li₂S₈前后的¹⁷O核磁共振谱变化；（d）、（e）CE与UE中S₈²⁻附近的径向分布函数（f）UE相对于CE的三重优势示意图。
3. 复合硫基正极的设计思路
图4. 复合硫基正极设计过程（a）不同CFₓ含量下的预估能量密度；（b）放电至2.4 V之前和之后的X射线衍射图；（c）复合硫基正极的电化学性能；（d）复合硫基正极与传统硫碳正极对比。
4. 电化学性能评估
图5. 31天OS与CS的变化。（a）开路电压对比；（b）容量衰减对比；（c）电化学阻抗谱对比。
图6. S-CFₓ || UE || Li软包电池的电化学性能。（a）组装当天和静置一周后软包电池的电化学性能对比；661Wh/kg软包电池的（b）电子照片以及（c）电化学性能。
该工作以“Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg”为题目，发表在了国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上。通讯作者：索鎏敏研究员、毛慧灿博士，第一作者：冯璟楠。
该研究工作得到了中国科学院青年人才计划，北京清洁能源前沿研究中心，怀柔清洁能源材料测试诊断与研发平台大力支持。
编辑：virens
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