Structural Design of Cathodes for Li-S Batteries

Advanced Energy Materials

Volumn 5, Issue 16, 2015, Pages

  Pope, Michael A ^a,b   Aksay, Ilhan A ^c  

^a UNIVERSITY OF WATERLOO   (Canada)

^b Vorbeck Materials Corp   (United States)

^c Princeton University   (United States)

Author keywords

high specific energy; lithium degradation; lithium sulfur batteries; nanocomposite cathodes; next generation batteries; polysulfide retention

Indexed keywords

ANODES; CATHODES; CHARGING (BATTERIES); IONS; LITHIUM-ION BATTERIES; POLYSULFIDES; STRUCTURAL DESIGN; SULFUR COMPOUNDS;

BATTERY TECHNOLOGY; CONDUCTIVE ADDITIVES; NEXT GENERATION SYSTEMS; POLYSULFIDE SHUTTLES; RAPID DEGRADATION; SPECIFIC ENERGY; SULFUR CATHODES; THEORETICAL CAPACITY;

LITHIUM SULFUR BATTERIES;

EID: 84940438833     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201500124     Document Type: Review

References (130)

1. J.-M. Tarascon, M. Armand, Nature 2001, 414, 359.
2. V. Etacheri, R. Marom, R. Elazari, G. Salitra, D. Aurbach,. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3243.
3. N. S. Choi, Z. Chen, S. A. Freunberger, X. Ji, Y. K. Sun, K. Amine, G. Yushin, L. F. Nazar, J. Cho, P. G. Bruce, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 9994.
4. G. Petrecca, Energy Conversion and Management Springer, New York 2014, p. 25.
5. D. Larcher, J. Tarascon, Nat. Chem. 2015, 7, 19.
6. P. G. Bruce, S. A. Freunberger, L. J. Hardwick, J.-M. Tarascon, Nat. Mater. 2012, 11, 199.
7. U. DOE, EV Everywhere Grand Challenge Blueprint, in US Department of Energy. January 2013.
8. USABC Goals for Advanced Batteries for EVs, 2006; Available from: http://uscar.org/guest/index.php (accessed March 2015).
9. R. C. Weast, M. J. Astle, W. H. Beyer, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Vol. 69. CRC Press, Boca Raton, FL 1988.
10. -1.
11. X. Ji, K. T. Lee, L. F. Nazar, Nat. Mater. 2009, 8, 500.
12. Y. Zhang, Y. Zhao, A. Konarov, D. Gosselink, H. G. Soboleski, P. Chen, J. Power Sources 2013, 241, 517.
13. N. Li, M. Zheng, H. Lu, Z. Hu, C. Shen, X. Chang, G. Ji, J. Cao, Y. Shi, Chem. Commun. 2012, 48, 4106.
14. M.-S. Park, J.-S. Yu, K. J. Kim, G. Jeong, J.-H. Kim, Y.-N. Jo, U. Hwang, S. Kang, T. Woo, Y.-J. Kim, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 6796.
15. X. Yang, L. Zhang, F. Zhang, Y. Huang, Y. S. Chen, ACS Nano 2014, 8, 5208.
16. M. U. M. Patel, N. D. Luong, J. Seppala, E. Tchernychova, R. Dominko, J. Power Sources 2014, 254, 55.
17. W. Bao, Z. Zhang, W. Chen, C. Zhou, Y. Lai, J. Li, Electrochim. Acta 2014, 127, 342.
18. J. Xie, J. Yang, X. Y. Zhou, Y. L. Zou, J. J. Tang, S. C. Wang, F. Chen, J. Power Sources 2014, 253, 55.
19. C.-S. Kim, A. Guerfi, P. Hovington, J. Trottier, C. Gagnon, F. Barray, A. Vijh, M. Armand, K. Zaghib, J. Power Sources 2013, 241, 554.
20. L. N. Wang, H. R. Byon, J. Power Sources 2013, 236, 207.
21. Y. Zhao, Y. G. Zhang, Z. Bakenov, P. Chen, Solid State Ionics 2013, 234, 40.
22. J. W. Park, K. Yamauchi, E. Takashima, N. Tachikawa, K. Ueno, K. Dokko, M. Watanabe, J. Phys. Chem. C 2013, 117, 4431.
23. J.-W. Park, K. Ueno, N. Tachikawa, K. Dokko, M. Watanabe, J. Phys. Chem. C 2013, 117, 20531.
24. Z. A. Zhang, W. Z. Bao, H. Lu, M. Jia, K. Y. Xie, Y. Q. Lai, J. Li, ECS Electrochem. Lett. 2012, 1, A34.
25. S. S. Zhang, J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A1226.
26. J. T. Lee, Y. Zhao, S. Thieme, H. Kim, M. Oschatz, L. Borchardt, A. Magasinski, W.-I. Cho, S. Kaskel, G. Yushin, Adv. Mater. 2013, 25, 4573.
27. Z. Lin, Z. Liu, N. J. Dudney, C. Liang, ACS Nano 2013, 7, 2829.
28. J. Song, T. Xu, M. L. Gordin, P. Zhu, D. Lv, Y. B. Jiang, Y. Chen, Y. Duan, D. Wang, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1243.
29. Y.-S. Su, Y. Fu, A. Manthiram, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 14495.
30. M. M. Rao, X. Y. Song, E. J. Cairns, J. Power Sources 2012, 205, 474.
31. Q. Li, Z. Zhang, K. Zhang, J. Fang, Y. Lai, J. Li, J. Power Sources 2014, 256, 137.
32. L. Wang, X. M. He, J. J. Li, M. Chen, J. Gao, C. Y. Jiang, Electrochim. Acta 2012, 72, 114.
33. M. Hagen, S. Dörfler, P. Fanz, T. Berger, R. Speck, J. Tübke, H. Althues, M. Hoffmann, C. Scherr, S. Kaskel, J. Power Sources 2013, 224, 260.
34. K. Fu, Y. Li, M. Dirican, C. Chen, Y. Lu, J. Zhu, Y. Li, L. Cao, P. D. Bradford, X. Zhang, Chem. Commun. 2014, 50, 10277.
35. S. Lu, Y. Chen, X. Wu, Z. Wang, Y. Li, Sci. Rep. 2014, 4, 1.
36. S. S. Zhang, D. T. Tran, J. Power Sources 2012, 211, 169.
37. H. W. Chen, W. L. Dong, J. Ge, C. H. Wang, X. D. Wu, W. Lu, L. W. Chen, Sci Rep 2013, 3, 1.
38. Y. G. Zhang, Z. Bakenov, Y. Zhao, A. Konarov, N. L. D. The, M. Malik, T. Paron, P. Chen, J. Power Sources 2012, 208, 1.
39. G.-C. Li, G.-R. Li, S.-H. Ye, X.-P. Gao, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1238.
40. T. N. L. Doan, D. Gosselink, T. K. A. Hoang, P. Chen, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 13843.
41. X.-B. Cheng, H.-J. Peng, J.-Q. Huang, L. Zhu, S.-H. Yang, Y. Liu, H.-W. Zhang, W. Zhu, F. Wei, Q. Zhang, J. Power Sources 2014, 261, 264.
42. J. Cheng, Y. Pan, J. Zhu, Z. Li, J. Pan, Z. Ma, J. Power Sources 2014, 257, 192.
43. J. X. Zhang, Z. S. Ma, J. J. Cheng, Y. Wang, C. Wu, Y. Pan, C. Lu, J. Electroanal. Chem. 2015, 738, 184.
44. S. Evers, T. Yim, L. F. Nazar, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 19653.
45. Z. W. Seh, W. Li, J. J. Cha, G. Zheng, Y. Yang, M. T. McDowell, P.-C. Hsu, Y. Cui, Nat. Commun. 2013, 4, 1331.
46. Z. Liang, G. Zheng, W. Li, Z. W. Seh, H. Yao, K. Yan, D. Kong, Y. Cui, ACS Nano 2014, 8, 5249.
47. X. Tao, J. Wang, Z. Ying, Q. Cai, G. Zheng, Y. Gan, H. Huang, Y. Xia, C. Liang, W. Zhang, Y. Cui, Nano Lett. 2014, 14, 5288.
48. Q. Pang, D. Kundu, M. Cuisinier, L. F. Nazar, Nat. Commun. 2014, 5, 1.
49. Z. W. Seh, J. H. Yu, W. Li, P.-C. Hsu, H. Wang, Y. Sun, H. Yao, Q. Zhang, Y. Cui, Nat. Commun. 2014, 5, 1.
50. R. Demir-Cakan, M. Morcrette, F. Nouar, C. Davoisne, T. Devic, D. Gonbeau, R. Dominko, C. Serre, G. Férey, J.-M. Tarascon, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 16154.
51. J. Zheng, J. Tian, D. Wu, M. Gu, W. Xu, C. Wang, F. Gao, M. H. Engelhard, J.-G. Zhang, J. Liu, J. Xiao, Nano Lett. 2014, 14, 2345-.
52. R. Yazami, P. Touzain, J. Power Sources 1983, 9, 365.
53. A. K. Padhi, K. Nanjundaswamy, J. B. d. Goodenough, J. Electrochem. Soc. 1997, 144, 1188.
54. R. D. Rauh, K. M. Abraham, G. F. Pearson, J. K. Surprenant, S. B. Brummer, J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 523.
55. R. Rauh, F. Shuker, J. Marston, S. Brummer, J. Inorg. Nucl. Chem. 1977, 39, 1761.
56. S.-E. Cheon, K.-S. Ko, J.-H. Cho, S.-W. Kim, E.-Y. Chin, H.-T. Kim, J. Electrochem. Soc. 2003, 150, A800.
57. J. Gao, M. A. Lowe, Y. Kiya, H. D. Abruña, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 25132.
58. T. Yim, M.-S. Park, J.-S. Yu, K. J. Kim, K. Y. Im, J.-H. Kim, G. Jeong, Y. N. Jo, S.-G. Woo, K. S. Kang, I. Lee, Y.-J. Kim, Electrochim. Acta 2013, 107, 454.
59. E. Peled, A. Gorenshtein, M. Segal, Y. Sternberg, J. Power Sources 1989, 26, 269.
60. E. Peled, J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 2047.
61. Z. Li, J. Huang, B. Yann Liaw, V. Metzler, J. Zhang, J. Power Sources 2014, 254, 168.
62. C. M. Lõpez, J. T. Vaughey, D. W. Dees, J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A726.
63. D. Lv, Y. Shao, T. Lozano, W. D. Bennett, G. L. Graff, B. Polzin, J. Zhang, M. H. Engelhard, N. T. Saenz, W. A. Henderson, Adv. Energy Mater. 2014.
64. M. U. M. Patel, N. D. Luong, J. Seppälä, E. Tchernychova, R. Dominko, J. Power Sources 2014, 254, 55.
65. J. Song, T. Xu, M. L. Gordin, P. Zhu, D. Lv, Y.-B. Jiang, Y. Chen, Y. Duan, D. Wang, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 1243.
66. J. Xie, J. Yang, X. Zhou, Y. Zou, J. Tang, S. Wang, F. Chen, J. Power Sources 2014, 253, 55.
67. X. Yang, L. Zhang, F. Zhang, Y. Huang, Y. Chen, ACS Nano 2014, 8, 5208.
68. L. Zhu, W. Zhu, X.-B. Cheng, J.-Q. Huang, H.-J. Peng, S.-H. Yang, Q. Zhang, Carbon 2014, 75, 161.
69. S. Kinoshita, K. Okuda, N. Machida, M. Naito, T. Sigematsu, Solid State Ionics 2014, 256, 97.
70. V. Srinivasan, J. Newman, J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A1530.
71. T. Marks, S. Trussler, A. Smith, D. Xiong, J. Dahn, J. Electrochem. Soc. 2011, 158, A51.
72. I. V. Thorat, D. E. Stephenson, N. A. Zacharias, K. Zaghib, J. N. Harb, D. R. Wheeler, J. Power Sources 2009, 188, 592.
73. M. A. Pope, S. Korkut, C. Punckt, I. A. Aksay, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1653.
74. L. Wang, X. He, J. Li, J. Gao, M. Fang, G. Tian, J. Wang, S. Fan, J. Power Sources 2013, 239, 623.
75. J. Wang, J. Yang, J. Xie, N. Xu, Adv. Mater. 2002, 14, 963.
76. A. Manthiram, Y. Fu, Y.-S. Su, Acc. Chem. Res. 2012, 46, 1125.
77. A. Manthiram, Y. Fu, S.-H. Chung, C. Zu, Y.-S. Su, Chem. Rev. 2014, 114, 11751.
78. 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.
79. M. A. Pope, A. Hsieh, S. Korkut, C. Punckt, I. A. Aksay, unpublished.
80. Y. Zhang, Z. Bakenov, Y. Zhao, A. Konarov, T. N. L. Doan, M. Malik, T. Paron, P. Chen, J. Power Sources 2012, 208, 1.
81. S. Zhang, Energies 2014, 7, 4588.
82. A. Konarov, D. Gosselink, T. N. L. Doan, Y. Zhang, Y. Zhao, P. Chen, J. Power Sources 2014, 259, 183.
83. J. Wang, J. Yang, C. Wan, K. Du, J. Xie, N. Xu, Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 487.
84. J. Cesarano, I. A. Aksay, J. er. Ceram. Soc. 1988, 71, 1062.
85. Y. G. Zhang, Z. Bakenov, Y. Zhao, A. Konarov, Q. Wang, P. Chen, Ionics 2014, 20, 803.
86. A. D. Roberts, X. Li, H. Zhang, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4341.
87. J. Zheng, D. Lv, M. Gu, C. Wang, J.-G. Zhang, J. Liu, J. Xiao, J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A2288.
88. S. H. Kang, X. Zhao, J. Manuel, H. J. Ahn, K. W. Kim, K. K. Cho, J. H. Ahn, Phys. Status Solidi A-Appl. Mater. 2014, 211, 1895.
89. J. Gao, H. D. Abruña, J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 882.
90. S. Kinoshita, K. Okuda, N. Machida, M. Naito, T. Sigematsu, Solid State Ionics 2014, 256, 97.
91. H. Nagata, Y. Chikusa, J. Power Sources 2014, 264, 206.
92. S. Kinoshita, K. Okuda, N. Machida, T. Shigematsu, J. Power Sources 2014, 269, 727.
93. J. E. Trevey, J. R. Gilsdorf, C. R. Stoldt, S.-H. Lee, P. Liu, J. Electrochem. Soc. 2012, 159, A1019.
94. R. C. Dougherty, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4514.
95. Y. Yang, G. Zheng, Y. Cui, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1552.
96. M. Agostini, D.-J. Lee, B. Scrosati, Y. K. Sun, J. Hassoun, J. Power Sources 2014, 265, 14.
97. S. J. Visco, Y. S. Nimon, B. D. Katz, L. C. De Jonghe, N. Goncharenko, V. Loginova, Aqueous electrolyte lithium sulfur batteries 2014, Google Patents.
98. S. S. Zhang, J. Power Sources 2013, 231, 153.
99. R. Elazari, G. Salitra, Y. Talyosef, J. Grinblat, C. Scordilis-Kelley, A. Xiao, J. Affinito, D. Aurbach, J. Electrochem. Soc. 2010, 157, A1131.
100. Z. Ma, T. Li, Y. L. Huang, J. Liu, Y. Zhou, D. Xue, RSC Adv. 2013, 3, 7398.
101. M. Rao, X. Song, H. Liao, E. J. Cairns, Electrochim. Acta 2012, 65, 228.
102. M. K. Song, Y. G. Zhang, E. J. Cairns, Nano Lett. 2013, 13, 5891.
103. X. Feng, M.-K. Song, W. C. Stolte, D. Gardenghi, D. Zhang, X. Sun, J. Zhu, E. J. Cairns, J. Guo, Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 16931.
104. X. He, J. Ren, L. Wang, W. Pu, C. Wan, C. Jiang, Ionics 2009, 15, 477.
105. L. Wang, X. He, J. Li, M. Chen, J. Gao, C. Jiang, Electrochim. Acta 2012, 72, 114.
106. H. L. Wang, Y. Yang, Y. Y. Liang, J. Robinson, Y. G. Li, A. Jackson, Y. Cui, H. J. Dai, Nano Lett. 2011, 11, 2644.
107. L. W. Ji, M. M. Rao, H. M. Zheng, L. Zhang, Y. C. Li, W. H. Duan, J. H. Guo, E. J. Cairns, Y. G. Zhang, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18522.
108. N. Jayaprakash, J. Shen, S. S. Moganty, A. Corona, L. A. Archer, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5904.
109. E. Shin, M.-S. Kim, W. Cho, S. Oh, Nanoscale Res. Lett. 2013, 8, 1.
110. J. Guo, Y. Xu, C. Wang, Nano Lett. 2011, 11, 4288.
111. X. Ji, S. Evers, R. Black, L. F. Nazar, Nat. Commun. 2011, 2, 325.
112. H. Kim, J. T. Lee, D.-C. Lee, A. Magasinski, W.-i. Cho, G. Yushin, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 1308.
113. J. R. Smith, F. C. Walsh, R. L. Clarke, J. App. Electrochem. 1998, 28, 1021.
114. Y. Cao, X. Li, I. A. Aksay, J. Lemmon, Z. Nie, Z. Yang, J. Liu, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 7660.
115. H. Schneider, A. Garsuch, A. Panchenko, O. Gronwald, N. Janssen, P. Novák, J. Power Sources 2012, 205, 420.
116. Y. Fu, A. Manthiram, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 116, 8910.
117. W. Zhou, Y. Yu, H. Chen, F. J. DiSalvo, H. D. Abruña, J. Amer. Chem. Soc. 2013, 135, 16736.
118. J. Scheers, S. Fantini, P. Johansson, J. Power Sources 2014, 255, 204.
119. Y. Zhao, Y. Zhang, Z. Bakenov, P. Chen, Solid State Ionics 2013, 234, 40.
120. L. Suo, Y.-S. Hu, H. Li, M. Armand, L. Chen, Nat. Commun. 2013, 4, 1481.
121. H.-S. Ryu, H.-J. Ahn, K.-W. Kim, J.-H. Ahn, J.-Y. Lee, J. Power Sources 2006, 153, 360.
122. E. S. Shin, K. Kim, S. H. Oh, W. I. Cho, Chem. Commun. 2013, 49, 2004.
123. H. Le Chatelier, CR Acad. Sci. 1894, 118, 638.
124. D. Lv, Y. Shao, T. Lozano, W. D. Bennett, G. L. Graff, B. Polzin, J. Zhang, M. H. Engelhard, N. T. Saenz, W. A. Henderson, Adv. Energy Mater. 2014, 5, 1400993.
125. R. Miao, J. Yang, X. Feng, H. Jia, J. Wang, Y. Nuli, J. Power Sources 2014, 271, 291.
126. G. Ma, Z. Wen, M. Wu, C. Shen, Q. Wang, J. Jin, X. Wu, Chem. Commun. 2014, 50, 14209.
127. K. Yan, H.-W. Lee, T. Gao, G. Zheng, H. Yao, H. Wang, Z. Lu, Y. Zhou, Z. Liang, Z. Liu, Nano Lett. 2014, 14, 6016.
128. G. Zheng, S. W. Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu, Y. Cui, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 618.
129. S. H. Lee, J. R. Harding, D. S. Liu, J. M. D'Arcy, Y. Shao-Horn, P. T. Hammond, Chem. Mater. 2014, 26, 2579.
130. G. Zhou, L. Li, C. Ma, S. Wang, Y. Shi, N. Koratkar, W. Ren, F. Li, H.-M. Cheng, Nano Energy 2015, 11, 221.