基于LiFSI的超轻电解质实现长循环高能量密度锂硫电池

《EcoMat》：A LiFSI-Based Ultralight Electrolyte for Long-Cycle-Life and High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries

本文报道了一种基于双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）的超轻电解质（ULE）设计，其兼具低密度（0.89 g cm?3）和高锂离子电导率（7.05 mS cm?1）。该电解质通过形成富LiF的固态电解质界面（SEI）抑制多硫化物腐蚀，并利用FSI?的高供体数提升多硫化物溶解性，加速转化动力学。在高硫载量（5 mg cm?2）和低电解液/硫比（E/S=5 μL mg?1）条件下，电池初始容量达1180 mAh g?1，200次循环后容量保持率70.63%，软包电池能量密度提升34.5%，循环寿命延长133%。本研究为长循环、高能量密度储能提供了新路径。

　　

引言：锂硫电池的挑战与电解质设计策略

锂硫电池因其高理论能量密度（2600 Wh kg^?1）和硫的低成本优势成为下一代储能技术的有力候选者。然而，硫的本征绝缘性（~1×10^?15S/m）要求阴极必须构建高孔隙率碳/硫复合材料，导致电解液注入量大幅增加。即使在贫电解液条件下（E/S=4 μL mg^?1），电解液质量占比仍高达68.5 wt.%，显著限制其实际能量密度。超轻电解质通过降低密度可提升能量密度，但传统低浓度LiTFSI基电解质存在离子电导率低、SEI不稳定及多硫化物转化动力学缓慢等问题。

LiFSI基超轻电解质的设计与物化特性

研究通过剔除高密度DOL溶剂、采用低分子量LiFSI盐（187 g mol^?1）及降低盐浓度（0.4 M LiFSI+0.1 M LiNO₃/DME），成功制备密度仅0.89 g mL^?1的LiFSI-ULE。其离子电导率达7.05 mS cm^?1，接近商用电解质（8.02 mS cm^?1），且锂离子迁移数（0.45）和交换电流密度（150 μA cm^?2）均优于LiTFSI-ULE。静电势分析表明，LiFSI的电荷分布更局域化，S-F键解离能较低，易于形成LiF-rich SEI。

锂金属负极腐蚀行为与界面演化

在低硫载量（~1 mg cm^?2）电池中，LiFSI-ULE组装的电池初始容量达1084 mAh g^?1，100次循环后容量保持率91.16%，平均库伦效率99.97%。SEM和XPS分析显示，其形成的富LiF SEI能有效抑制多硫化物对锂负极的腐蚀，腐蚀面积比显著低于商用电解质和LiTFSI-ULE组。EIS测试进一步证实LiFSI-ULE的界面阻抗（R_SEI）最低，自放电性能最优。

多硫化物转化动力学与Li₂S沉积机制

通过Li-Li₂S₆电池测试发现，LiFSI-ULE组放电容量达1169 mAh g^?1，过电位更低。计时电流法表明FSI^?的高供体数（10.7 kcal mol^?1）可延缓Li₂S横向生长速率（5.22×10^?10s^?2），促进3D颗粒状沉积，而非2D钝化膜，从而提升硫利用率。EIS和GITT测试均验证其反应动力学更优。

实际条件下的电化学性能

在高硫载量（5 mg cm^?2）、低E/S比（5 μL mg^?1）的苛刻条件下，LiFSI-ULE使电池初始容量达1180 mAh g^?1，200次循环后容量保持率70.63%，性能优于已报道的各类电解质改性策略。软包电池（硫载量8 mg cm^?1，E/S=4 μL mg^?1）的能量密度提升至394 Wh kg^?1，循环寿命延长133%。后循环分析表明，LiFSI-ULE能维持阴极材料均匀分散，避免活性物质聚集导致的失效。

结论与展望

LiFSI基超轻电解质通过协同优化界面稳定性与反应动力学，突破了锂硫电池在实际应用中的能量密度和循环寿命瓶颈。该策略为高能量密度储能系统提供了可行路径，并拓展了LiFSI在锂硫体系中的应用潜力。