一种新的反应路径实现高体积能量密度的锂硒电池

何广

天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院，天津 300384

Se正极在高浓度乙腈电解液中的转化机理及电化学表现。

作为硫(S)的同族元素，硒(Se)在化学和电化学性质上与硫类似。应用于二次锂金属电池时，Se作为正极活性物质，通过Se + 2Li ↔ Li2Se的电化学转化进行可逆地锂化和脱锂，具有较高的理论比容量(675 mAh·g-1)。虽然其理论比容量低于S(1672 mAh·g-1)，但是Se的密度较大，从而其理论体积比容量(3253 mAh·cm-3)与S (3467 mAh·cm-3)相当1。另外，Se具有远高于S的电导率(Se: ≈ 10-5S cm-1；S: ≈ 10-30S·cm-1)，以及与商用碳酸酯电解液更好的兼容性2–4，这些特性使得锂硒(Li-Se)电池体系有望兼具高功率和体积能量密度。

作为电池的“血液”，电解液直接影响电池内部的反应路径和电化学行为。当前对于Li-Se电池的研究主要探究了其在醚类和碳酸酯类电解液中的电化学表现。在醚类电解液中，Se经历与S类似的锂化/脱锂过程，呈现出固-液-固的反应机制：固态的Se首先被还原为可溶解的长链多硒化物(LPSes)，然后被充分还原为固态的锂二硒(Li2Se)5。由于多硒化物在醚类溶剂中高的溶解度，Li-Se电池面临与Li-S电池相似的穿梭问题，即溶解的LPSes与锂负极持续的副反应引起活性物质不可逆损失。与之不同的是，在碳酸酯类电解液中，Se被直接还原为Li2Se，避免了LPSes的生成6。尽管这种一步固-固转化机制避免了穿梭效应带来的一系列弊端，其较高的反应壁垒却造成低的活性物质利用率以及较差的倍率性能7。

参照高性能S正极的制备，研究人员尝试将纳米尺寸的Se封装在多孔导电基体中，从而抑制LPSes在醚类电解液中的穿梭，改善Se和Li2Se在碳酸酯类电解液中的转化动力学。……