由于硫極高的自然豐度和高達2500 Wh kg-1的理論能量值，低成本的Li-S電池引起人們的廣泛關注。Li-S電池的放電過程是由硫單質獲得電子及鋰離子，最終還原生成Li2S的過程，但由于硫單質與Li2S均為難溶解且不導電的終端產物，硫利用率并不高，且倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性較差，并且可溶性多硫化物在循環(huán)時導致內部穿梭。此外，通過溶解-沉淀路線的氧化還原反應會鈍化氧化還原反應的活性界面進而破壞電極結構，因此其性能隨循環(huán)不斷下降，大大阻礙了Li-S電池的商業(yè)應用發(fā)展。

為了解決上述問題，研究者開發(fā)了大量的工作來結合納米結構的導體，如過渡金屬(Fe，Cu和Co)，金屬氧化物，金屬硫化物，金屬氮化物，金屬碳化物，碳納米材料，導電聚合物。通過這些方法顯著改善了電極中的電化學活性區(qū)域，當達到適當的物理約束時，鋰多硫化物中間體（LiPSs）擴散得到進一步抑制。然而，這種改進通常帶來低活性材料負載的振實密度，且生產過程昂貴，同時該方法不一定防止活性顆粒從導電載體上脫離和在固-液-固轉變期間長期循環(huán)時造成 氧化還原活性位點的鈍化。利用LiPSs和主體之間的化學相互作用可以更好地捕獲硫，但是要有此種效應得要使用超高表面積材料，有可行性的擔憂。因此，開發(fā)一種低成本、可擴展、可靠的方法來提高鋰電池的實際性能仍然需要突破。

近日，斯坦福大學崔屹教授和鮑哲南教授合作利用醌的氧化還原反應，使用Li2S微粒實現(xiàn)Li-S電池的高效、快速、穩(wěn)定的運行。通過向電解質中添加具有特定性質（如氧化電勢、溶解度、電化學穩(wěn)定性等）的醌衍生物作為氧化還原介質（RM），在0.5℃時，Li2S電極的初始充電在2.5V以下，后續(xù)放電容量高達1300 mAh gs-1。此外，使用RM可以有效地防止了Li2S沉積，很好的解決了極化增加和循環(huán)時容量降低的問題。該成果近日以題為“Designing a Quinone-Based Redox Mediator to Facilitate Li2S Oxidation in Li-S Batteries”發(fā)表在知名期刊Joule上。

圖一：量身定制的RM促進Li2S氧化

（A）裸Li2S電極在第一個周期0.3C處的典型電壓分布圖；

（B）Li-S電池直接氧化Li2S和RM介導氧化Li2S的示意圖；

（C）不同RMs (20 mM)在DOL/DME電解質中的循環(huán)伏安圖及其化學結構；

（D）0.3C不同RMs條件下，第一次循環(huán)中Li2S電極的電壓分布；

（E）從(D)放大的充電電壓曲線，用于比較電壓過沖；

（F）比較不同RM對Li2S電極第一循環(huán)能量效率和放電容量的影響；

（G）在以往的研究和我們的工作中證明的第一周期的平均充電電壓和應用C速率。

圖二：AQT與Li2S的化學反應及其電化學

（A）使用含有和不含Li2S電極的DOL/DME電解質（20 μL）中的80mM AQT的半電池的電壓曲線；

（B）與不含Li2S且僅含有160 mM AQT的電池相比，具有Li2S和160 mM AQT混合物的半電池的恒電流放電曲線；

（C）電解液(20 μL)中使用和不使用AQT (80mM)循環(huán)的Li2S電極(0.7 mg cm-2)的電壓曲線；

（D）0.1C時（C）中對應的dQ/dV曲線。

圖三：利用AQT改善Li2S電極的循環(huán)穩(wěn)定性

（A-B）在有和沒有AQT的情況下循環(huán)的Li2S電極（0.7mg cm-2）的容量保持率（A）和庫侖效率（B）；

（C）通過添加由ICP-OES測定的AQT，多硫化物中間體在DOL/DME中的溶解度變化；

（D-E）在電解質中具有AQT（D）且沒有AQT（E）的循環(huán)Li2S電極的SEM圖像；

（F）用于比較的制備好的電極的SEM圖像；

（G-I）在電解質中有AQT（H）和無AQT（I）進行200次循環(huán)后，所制備的Li2S電極（G）和處于充電狀態(tài)的循環(huán)電極的X射線光譜顯微圖。

圖四：高質量負載Li2S與AQT的電化學性能

（A）采用12.5 mL mg-1的電解液與Li2S的比值制備高質量負載Li2S陰極(4 mg cm-2和6 mg cm-2)的容量保持率和庫侖效率；

（B）高質量負載電極的100個循環(huán)的電壓分布變化；

（C）（B）中相應的平均充電和放電電壓。

小結

作者提出了一種利用聚醚鏈連接蒽醌氧化中心，以最小過電位促進Li2S氧化的有效策略，該策略具有理想的氧化電位、高穩(wěn)定性和足夠的電解質溶解度。此外，作者還提供了直接的實驗證據，證明AQT可以防止多硫化物溶解，并保持電極形態(tài)，以確保異常的循環(huán)穩(wěn)定性?？偟膩碚f，將AQT作為RM的引入是一種簡單有效的方法，可以在具有挑戰(zhàn)性的條件下顯著增強硫氧化還原化學的多個方面。傳統(tǒng)的方法通常需要制備復雜的納米結構，這樣不可避免地會增加電池成本，與此不同的是，RMs可以簡單地添加到電解液中，因此適合大規(guī)模生產，使鋰電池成為一種可行的技術。

原標題:崔屹&鮑哲南最新Joule：引入醌的氧化還原介質以促進Li-S電池中的Li2S氧化