Lithium-sulfur batteries: Electrochemistry, materials, and prospects

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 52, Issue 50, 2013, Pages 13186-13200

  Yin, Ya Xia ^a   Xin, Sen ^a   Guo, Yu Guo ^a   Wan, Li Jun ^a  

^a INSTITUTE OF CHEMISTRY   (China)

Author keywords

electrochemistry; electrolytes; Li S batteries; lithium; sulfur

Indexed keywords

ECONOMIC ENERGY; ELECTRICITY STORAGES; ELECTRO-ACTIVITY; ELECTRONIC VEHICLES; HIGH ENERGY DENSITIES; LITHIUM SULFUR BATTERIES; MICRO-POROUS CARBONS; RECHARGEABLE LI BATTERIES;

ELECTRIC ENERGY STORAGE; ELECTROCHEMISTRY; ELECTROLYTES; LITHIUM; SULFUR;

LITHIUM BATTERIES;

EID: 84889672090     PISSN: 14337851     EISSN: 15213773     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.201304762     Document Type: Review

References (131)

1. D. Herbert, J. Ulam, U.S. Patent 3043896, 1962.
2. P. G. Bruce, S. A. Freunberger, L. J. Hardwick, J.-M. Tarascon, Nat. Mater. 2012, 11, 19.
3. M. Armand, J. M. Tarascon, Nature 2008, 451, 652.
4. P. Yang, J.-M. Tarascon, Nat. Mater. 2012, 11, 560.
5. Y.-G. Guo, J.-S. Hu, L.-J. Wan, Adv. Mater. 2008, 20, 4384.
6. A.-M. Cao, J.-S. Hu, L.-J. Wan, Sci. China Chem. 2012, 55, 2249.
7. B. Dunn, H. Kamath, J.-M. Tarascon, Science 2011, 334, 928.
8. S. Evers, L. F. Nazar, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1135.
9. X. Ji, L. F. Nazar, J. Mater. Chem. 2010, 20, 9821.
10. X. Ji, K. T. Lee, L. F. Nazar, Nat. Mater. 2009, 8, 500.
11. A. Manthiram, Y. Fu, Y.-S. Su, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1125.
12. B. C. Melot, J.-M. Tarascon, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1226.
13. M. S. Whittingham, Chem. Rev. 2004, 104, 4271.
14. J. B. Goodenough, K.-S. Park, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1167.
15. Y. Yang, G. Zheng, Y. Cui, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 3018.
16. S. E. Cheon, K. S. Ko, J. H. Cho, S. W. Kim, E. Y. Chin, H. T. Kim, J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A 796.
17. E. Peled, Y. Sternberg, A. Gorenshtein, Y. Lavi, J. Electrochem. Soc. 1989, 136, 1621.
18. H. Yamin, A. Gorenshtein, J. Penciner, Y. Sternberg, E. Peled, J. Electrochem. Soc. 1988, 135, 1045.
19. G. LeGuillanton, Q. T. Do, D. Elothmani, J. Electrochem. Soc. 1996, 143, L223.
20. S. I. Tobishima, H. Yamamoto, M. Matsuda, Electrochim. Acta 1997, 42, 1019.
21. H. Yamin, E. Peled, J. Power Sources 1983, 9, 281.
22. C. Barchasz, F. Molton, C. Duboc, J. C. Lepretre, S. Patoux, F. Alloin, Anal. Chem. 2012, 84, 3973.
23. K. Kumaresan, Y. Mikhaylik, R. E. White, J. Electrochem. Soc. 2008, 155, A 576.
24. J. Gao, M. A. Lowe, Y. Kiya, H. D. Abruña, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 25132.
25. J. Nelson, S. Misra, Y. Yang, A. Jackson, Y. J. Liu, H. L. Wang, H. J. Dai, J. C. Andrews, Y. Cui, M. F. Toney, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 6337.
26. H. S. Ryu, H. J. Ahn, K. W. Kim, J. H. Ahn, J. Y. Lee, J. Power Sources 2006, 153, 360.
27. D. Aurbach, E. Pollak, R. Elazari, G. Salitra, C. S. Kelley, J. Affinito, J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A 694.
28. Y. Mikhaylik, I. Kovalev, R. Schock, K. Kumaresan, J. Xu, J. Affinito, ECS Trans. 2010, 25, 23.
29. K. Xu, Chem. Rev. 2004, 104, 4303.
30. R. D. Rauh, K. M. Abraham, G. F. Pearson, J. K. Surprenant, S. B. Brummer, J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 523.
31. Y. V. Mikhaylik, J. R. Akridge, J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A 1969.
32. M. L. Rao, U.S. Pat. 3,413,154, 1968.
33. R. Demir-Cakan, M. Morcrette, Gangulibabu, A. Guéguen, R. Dedryvère, J.-M. Tarascon, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 176.
34. M. Armand, F. Endres, D. R. MacFarlane, H. Ohno, B. Scrosati, Nat. Mater. 2009, 8, 621.
35. L. X. Yuan, J. K. Feng, X. P. Ai, Y. L. Cao, S. L. Chen, H. X. Yang, Electrochem. Commun. 2006, 8, 610.
36. J.-W. Park, K. Yamauchi, E. Takashima, N. Tachikawa, K. Ueno, K. Dokko, M. Watanabe, J. Phys. Chem. C 2013, 117, 4431.
37. B. L. Ellis, K. T. Lee, L. F. Nazar, Chem. Mater. 2010, 22, 691.
38. S. Xin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, Acc. Chem. Res. 2012, 45, 1759.
39. X. Zhou, L.-J. Wan, Y.-G. Guo, Adv. Mater. 2013, 25, 2152.
40. J. Su, X.-L. Wu, J.-S. Lee, J. Kim, Y.-G. Guo, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 2508.
41. S. Xin, L. Gu, N.-H. Zhao, Y.-X. Yin, L.-J. Zhou, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18510.
42. W.-M. Zhang, X.-L. Wu, J.-S. Hu, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3941.
43. Y. Yan, Y.-X. Yin, S. Xin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, Chem. Commun. 2012, 48, 10663.
44. N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2nded., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997.
45. B. Meyer, Chem. Rev. 1976, 76, 367.
46. H. Wang, Y. Yang, Y. Liang, J. T. Robinson, Y. Li, A. Jackson, Y. Cui, H. Dai, Nano Lett. 2011, 11, 2644.
47. S. Evers, L. F. Nazar, Chem. Commun. 2012, 48, 1233.
48. J. Wang, J. Yang, J. Xie, N. Xu, Adv. Mater. 2002, 14, 963.
49. F. Wu, J. Z. Chen, R. J. Chen, S. X. Wu, L. Li, S. Chen, T. Zhao, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6057.
50. Y. Z. Fu, A. Manthiram, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 8910.
51. Y. Z. Fu, A. Manthiram, RSC Adv. 2012, 2, 5927.
52. Z. Seh, W. Li, J. J. Cha, G. Zheng, Y. Yang, M. T. McDowell, P.-C. Hsu, Y. Cui, Nat. Commun. 2013, 4, 1331.
53. K. T. Lee, R. Black, T. Yim, X. Ji, L. F. Nazar, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1490.
54. Z. Yang, J. Zhang, M. C. W. Kintner-Meyer, X. Lu, D. Choi, J. P. Lemmon, J. Liu, Chem. Rev. 2011, 111, 3577.
55. J. B. Goodenough, Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1053.
56. Z. Wen, Y. Hu, X. Wu, J. Han, Z. Gu, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1005.
57. N. Tachikawa, K. Yamauchi, E. Takashima, J.-W. Park, K. Dokko, M. Watanabe, Chem. Commun. 2011, 47, 8157.
58. J. Guo, Y. Xu, C. Wang, Nano Lett. 2011, 11, 4288.
59. G. Zheng, Y. Yang, J. J. Cha, S. S. Hong, Y. Cui, Nano Lett. 2011, 11, 4462.
60. N. Jayaprakash, J. Shen, S. S. Moganty, A. Corona, L. A. Archer, Angew. Chem. 2011, 123, 6026
61. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5904.
62. X. Li, Y. Cao, W. Qi, L. V. Saraf, J. Xiao, Z. Nie, J. Mietek, J.-G. Zhang, B. Schwenzer, J. Liu, J. Mater. Chem. 2011, 21, 16603.
63. G. He, X. Ji, L. Nazar, Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2878.
64. C. D. Liang, N. J. Dudney, J. Y. Howe, Chem. Mater. 2009, 21, 4724.
65. S.-R. Chen, Y.-P. Zhai, G.-L. Xu, Y.-X. Jiang, D.-Y. Zhao, J.-T. Li, L. Huang, S.-G. Sun, Electrochim. Acta 2011, 56, 9549.
66. R. Elazari, G. Salitra, A. Garsuch, A. Panchenko, D. Aurbach, Adv. Mater. 2011, 23, 5641.
67. H. Ye, Y.-X. Yin, S. Xin, Y.-G. Guo, J. Mater. Chem. A 2013, 1, 6602.
68. S. Xin, Y.-X. Yin, L.-J. Wan, Y.-G. Guo, Part. Part. Syst. Charact. 2013, 30, 321.
69. L. Ji, M. Rao, H. Zheng, L. Zhang, Y. Li, W. Duan, J. Guo, E. J. Cairns, Y. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18522.
70. J. Schuster, G. He, B. Mandlmeier, T. Yim, K. T. Lee, T. Bein, L. F. Nazar, Angew. Chem. 2012, 124, 3651
71. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3591.
72. B. Zhang, X. Qin, G. R. Li, X. P. Gao, Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1531.
73. M. Steijns, P. Mars, J. Colloid Interface Sci. 1976, 57, 175.
74. X. Ji, S. Evers, R. Black, L. F. Nazar, Nat. Commun. 2011, 2, 325.
75. Y.-S. Su, A. Manthiram, Nat. Commun. 2012, 3, 1166.
76. Y.-S. Su, A. Manthiram, Chem. Commun. 2012, 48, 8817.
77. R. Demir-Cakan, M. Morcrette, F. Nouar, C. Davoisne, T. Devic, D. Gonbeau, R. Dominko, C. Serre, G. Ferey, J. M. Tarascon, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 16154.
78. M. S. Whittingham, U.S. Patent 4009052, 1973.
79. M. S. Whittingham, U.K. Patent 1468416, 1973.
80. Y. Yang, M. T. McDowell, A. Jackson, J. J. Cha, S. S. Hong, Y. Cui, Nano Lett. 2010, 10, 1486.
81. J. Hassoun, B. Scrosati, Angew. Chem. 2010, 122, 2421
82. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2371.
83. J. Hassoun, J. Kim, D.-J. Lee, H.-G. Jung, S.-M. Lee, Y.-K. Sun, B. Scrosati, J. Power Sources 2012, 202, 308.
84. X. Fang, X. Guo, Y. Mao, C. Hua, L. Shen, Y. Hu, Z. Wang, F. Wu, L. Chen, Asian J. Chem. 2012, 7, 1013.
85. Y. Yang, G. Zheng, S. Misra, J. Nelson, M. F. Toney, Y. Cui, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15387.
86. K. Cai, M.-K. Song, E. J. Cairns, Y. Zhang, Nano Lett. 2012, 12, 6474.
87. J. C. Guo, Z. C. Yang, Y. C. Yu, H. D. Abruña, L. A. Archer, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 763.
88. M. Nagao, A. Hayashi, M. Tatsumisago, J. Mater. Chem. 2012, 22, 10015.
89. Z. Lin, Z. Liu, N. J. Dudney, C. Liang, ACS Nano 2013, 7, 2829.
90. S.-H. Yang, O. Steve, Q. C. Horn, J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A 1499.
91. X. Zhou, L.-J. Wan, Y.-G. Guo, Nanoscale 2012, 4, 5868.
92. X. Han, C. Chang, L. Yuan, T. Sun, J. Sun, Adv. Mater. 2007, 19, 1616.
93. Y. Li, H. Zhan, L. Kong, C. Zhan, Y. Zhou, Electrochem. Commun. 2007, 9, 1217.
94. S. R. Deng, L. B. Kong, G. Q. Hu, T. Wu, D. Li, Y. H. Zhou, Z. Y. Li, Electrochim. Acta 2006, 51, 2589.
95. J. Sakata, ECS Trans. 2013, 50, 13.
96. P. Wang, J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A 1171.
97. Y. Fu, Y.-S. Su, A. Manthiram, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 6930.
98. Y. Yang, G. Y. Zheng, Y. Cui, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1552.
99. E. Peled, J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 2047.
100. D. Aurbach, Y. Gofer, J. Langzam, J. Electrochem. Soc. 1989, 136, 3198.
101. Y. V. Mikhaylik, U.S. Pat. 7,352,680, 2008.
102. Z. Lin, Z. Liu, W. Fu, N. J. Dudney, C. Liang, Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 1064.
103. F. Ding, W. Xu, G. L. Graff, J. Zhang, M. L. Sushko, X. Chen, Y. Shao, M. H. Engelhard, Z. Nie, J. Xiao, X. Liu, P. V. Sushko, J. Liu, J.-G. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 4450.
104. Y. M. Lee, N. S. Choi, J. H. Park, J. K. Park, J. Power Sources 2003, 119, 964.
105. Y. Yan, Y.-X. Yin, S. Xin, J. Su, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, Electrochim. Acta 2013, 91, 58.
106. P. Biensan, B. Simon, J. P. Peres, A. deGuibert, M. Broussely, J. M. Bodet, F. Perton, J. Power Sources 1999, 81, 906.
107. D. R. Chang, S. H. Lee, S. W. Kim, H. T. Kim, J. Power Sources 2002, 112, 452.
108. W. Wang, Y. Wang, Y. Huang, C. Huang, Z. Yu, H. Zhang, A. Wang, K. Yuan, J. Appl. Electrochem. 2010, 40, 321.
109. S. Kim, Y. J. Jung, H. S. Lim, Electrochim. Acta 2004, 50, 889.
110. J. Shim, K. A. Striebel, E. J. Cairns, J. Electrochem. Soc. 2002, 149, A 1321.
111. G.-A. Nazri, Lithium Battery Science and Technology, Springer, Michigan, 2009.
112. L. Suo, Y.-S. Hu, H. Li, M. Armand, L. Chen, Nat. Commun. 2013, 4, 1481.
113. L. J. Krause, W. Lamanna, J. Summerfield, M. Engle, G. Korba, R. Loch, R. Atanasoski, J. Power Sources 1997, 68, 320.
114. H. Yang, K. Kwon, T. M. Devine, J. W. Evans, J. Electrochem. Soc. 2000, 147, 4399.
115. H. S. Ryu, H. J. Ahn, K. W. Kim, J. H. Ahn, J. Y. Lee, E. J. Cairns, J. Power Sources 2005, 140, 365.
116. K. Dokko, N. Tachikawa, K. Yamauchi, M. Tsuchiya, A. Yamazaki, E. Takashima, J.-W. Park, K. Ueno, S. Seki, N. Serizawa, M. Watanabe, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A 1304.
117. L. Wang, H. R. Byon, J. Power Sources 2013, 236, 207.
118. J. Hassoun, B. Scrosati, Adv. Mater. 2010, 22, 5198.
119. S. S. Jeong, Y. Lim, Y. J. Choi, G. B. Cho, K. W. Kim, H. J. Ahn, K. K. Cho, J. Power Sources 2007, 174, 745.
120. D. Marmorstein, T. H. Yu, K. A. Striebel, F. R. McLarnon, J. Hou, E. J. Cairns, J. Power Sources 2000, 89, 219.
121. J. L. Wang, J. Yang, J. Y. Xie, N. X. Xu, Y. Li, Electrochem. Commun. 2002, 4, 499.
122. A. S. Fisher, M. B. Khalid, M. Widstrom, P. Kofinas, J. Power Sources 2011, 196, 9767.
123. J. H. Shin, E. J. Cairns, J. Power Sources 2008, 177, 537.
124. R. Bouchet, S. Maria, R. Meziane, A. Aboulaich, L. Lienafa, J.-P. Bonnet, T. N. T. Phan, D. Bertin, D. Gigmes, D. Devaux, R. Denoyel, M. Armand, Nat. Mater. 2013, 12, 452.
125. A. Hayashi, T. Ohtomo, F. Mizuno, K. Tadanaga, M. Tatsumisago, Electrochem. Commun. 2003, 5, 701.
126. M. He, L.-X. Yuan, W.-X. Zhang, X.-L. Hu, Y.-H. Huang, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 15703.
127. C.-P. Yang, S. Xin, Y.-X. Yin, H. Ye, J. Zhang, Y.-G. Guo, Angew. Chem. 2013, 125, 8521
128. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8363.
129. S. Xin, Y.-X. Yin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan, Adv. Mater. 2013, DOI:.
130. A. Abouimrane, D. Dambournet, K. W. Chapman, P. J. Chupas, W. Weng, K. Amine, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4505.
131. H. S. Kim, T. S. Arthur, G. D. Allred, J. Zajicek, J. G. Newman, A. E. Rodnyansky, A. G. Oliver, W. C. Boggess, J. Muldoon, Nat. Commun. 2011, 2, 1.