journal article·2018-09Open access

The Progress of Li–S Batteries—Understanding of the Sulfur Redox Mechanism: Dissolved Polysulfide Ions in the Electrolytes

Dong Zheng, Gongwei Wang, Dan Liu, Jingyu Si, Tianyao Ding, Deyu Qu, Xiaoqing Yang, Deyang Qu

Advanced Materials Technologies· Volume 3· Issue 9

Abstract

Abstract Rechargeable lithium–sulfur batteries have aroused great attention in recent years. Thousands of research articles are published, and among these publications, the majority are dedicated to improving the battery's performance through chemically and physically modifying the sulfur electrode, electrolytes, separator, and lithium anode. However, the single most important aspect, understanding the sulfur redox mechanism, is sparse and overwhelmed by the huge volume of work done on improving the battery's performance. Besides the intrinsic complexity of the sulfur redox chemistry, the most challenging task is to find an effective analytical technique for the quantitative and qualitative determination of the dissolved and solid polysulfides, including elemental sulfur. In this paper, the recent important research aiming to understand the redox mechanism of the sulfur electrode is reviewed in light of the unique analytical techniques used in the research. The review re‐affirms the complexity of the sulfur redox chemistry and lays the background for the future mechanistic research for Li–S batteries.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advanced Battery Materials and Technologies · Advancements in Battery Materials · Advanced Battery Technologies Research

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Mechanical Engineering College of Engineering and Applied Science University of Wisconsin Milwaukee Milwaukee WI 53211 USA

Department of Chemistry School of Science Wuhan University of Technology Wuhan 430070 Hubei P. R. China

Chemistry Department Brookhaven National Laboratory Upton NY 11973 USA

Funding

Office of Energy Efficiency and Renewable Energy · Vehicle Technologies Office

References (100+)

Show source-provided references
1. Bruce P. G. · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 1910.1038/nmat3191 ↗
2. Ji X. L. · J. Mater. Chem. · 2010 · 20 · 982110.1039/b925751a ↗
3. Zhang S. S. · J. Power Sources · 2013 · 231 · 15310.1016/j.jpowsour.2012.12.102 ↗
4. Yang Y. · Chem. Soc. Rev. · 2013 · 42 · 301810.1039/c2cs35256g ↗
5. Bresser D. · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 1054510.1039/c3cc46131a ↗
6. Manthiram A. · Chem. Rev. · 2014 · 114 · 1175110.1021/cr500062v ↗
7. Scheers J. · J. Power Sources · 2014 · 255 · 20410.1016/j.jpowsour.2014.01.023 ↗
8. Chen R. J. · Chem. Commun. · 2015 · 51 · 1810.1039/C4CC05109B ↗
9. Lin Z. · J. Mater. Chem. A · 2015 · 3 · 93610.1039/C4TA04727C ↗
10. Cao R. G. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 140227310.1002/aenm.201402273 ↗
11. Zhang S. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150011710.1002/aenm.201500117 ↗
12. Rosenman A. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150021210.1002/aenm.201500212 ↗
13. Seh Z. W. · Chem. Soc. Rev. · 2016 · 45 · 560510.1039/C5CS00410A ↗
14. Badoz‐Lambling J. · Electrochim. Acta · 1976 · 21 · 11910.1016/0013-4686(76)85048-7 ↗
15. Paris J. · Electrochim. Acta · 1981 · 26 · 182310.1016/0013-4686(81)85170-5 ↗
16. Yamin H. · J. Power Sources · 1985 · 14 · 12910.1016/0378-7753(85)88022-8 ↗
17. Yamin H. · J. Electrochem. Soc. · 1988 · 135 · 182310.1149/1.2095868 ↗
18. Kim B. S. · J. Electrochem. Soc. · 1993 · 140 · 11510.1149/1.2056070 ↗
19. Gaillard F. · J. Electroanal. Chem. · 1995 · 398 · 7710.1016/0022-0728(95)04144-1 ↗
20. Levillain E. · J. Electroanal. Chem. · 1997 · 420 · 16710.1016/S0022-0728(96)04796-1 ↗
21. Evans A. · Electrochem. Commun. · 2001 · 3 · 51410.1016/S1388-2481(01)00203-X ↗
22. Leghie P. · Electrochem. Commun. · 2002 · 4 · 40610.1016/S1388-2481(02)00333-8 ↗
23. Jung Y. J. · Int. J. Electrochem. Sci. · 2008 · 3 · 56610.1016/S1452-3981(23)15544-1 ↗
24. Lu Y. C. · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 573310.1021/jp500382s ↗
25. Wang G. W. · Carbon · 2017 · 119 · 46010.1016/j.carbon.2017.04.066 ↗
26. Zheng D. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 1992310.1021/acsami.5b04005 ↗
27. Kolosnitsyn V. S. · J. Power Sources · 2011 · 196 · 147810.1016/j.jpowsour.2010.08.105 ↗
28. Deng Z. F. · J. Electrochem. Soc. · 2013 · 160 · A55310.1149/2.026304jes ↗
29. Cañas N. A. · Electrochim. Acta · 2013 · 97 · 4210.1016/j.electacta.2013.02.101 ↗
30. Fronczek D. N. · J. Power Sources · 2013 · 244 · 18310.1016/j.jpowsour.2013.02.018 ↗
31. Han D.‐H. · J. Electrochem. Soc. · 2004 · 151 · E28310.1149/1.1773733 ↗
32. Manan N. S. A. · J. Phys. Chem. B · 2011 · 115 · 1387310.1021/jp208159v ↗
33. Patel M. U. M. · ChemSusChem · 2013 · 6 · 117710.1002/cssc.201300142 ↗
34. Patel M. U. M. · ChemSusChem · 2014 · 7 · 216710.1002/cssc.201402215 ↗
35. Dominko R. · Acta Chim. Slov. · 2016 · 63 · 56910.17344/acsi.2016.2366 ↗
36. Canas N. A. · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 1210610.1021/jp5013208 ↗
37. Zou Q. L. · J. Phys. Chem. Lett. · 2016 · 7 · 151810.1021/acs.jpclett.6b00228 ↗
38. Diao Y. · J. Electrochem. Soc. · 2012 · 159 · A42110.1149/2.060204jes ↗
39. Barchasz C. · Anal. Chem. · 2012 · 84 · 397310.1021/ac2032244 ↗
40. Kawase A. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2014 · 16 · 934410.1039/C4CP00958D ↗
41. Zheng D. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 140188810.1002/aenm.201401888 ↗
42. Zheng D. · J. Power Sources · 2016 · 301 · 31210.1016/j.jpowsour.2015.10.002 ↗
43. Zheng D. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2017 · 9 · 432610.1021/acsami.6b08904 ↗
44. Zheng D. · J. Electrochem. Soc. · 2014 · 161 · A116410.1149/2.114406jes ↗
45. Kamyshny A. · Anal. Chem. · 2006 · 78 · 263110.1021/ac051854a ↗
46. Zheng D. · J. Electrochem. Soc. · 2015 · 162 · A20310.1149/2.1011501jes ↗
47. Yeon J.‐T. · J. Electrochem. Soc. · 2012 · 159 · A130810.1149/2.080208jes ↗
48. Hagen M. · J. Electrochem. Soc. · 2013 · 160 · A120510.1149/2.045308jes ↗
49. Wu H. L. · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2015 · 7 · 170910.1021/am5072942 ↗
50. Wu H. L. · Nano Energy · 2015 · 32 · 5010.1016/j.nanoen.2016.12.015 ↗
51. Hannauer J. · ChemPhysChem · 2015 · 16 · 275510.1002/cphc.201500448 ↗
52. Vinayan B. P. · Adv. Mater. Interfaces · 2016 · 3 · 160037210.1002/admi.201600372 ↗
53. Chen J. J. · Chem. Mater. · 2015 · 27 · 204810.1021/cm5044667 ↗
54. Zhu W. · Sustainable Energy Fuels · 2017 · 1 · 73710.1039/C6SE00104A ↗
55. Poizot P. · Nature · 2000 · 407 · 49610.1038/35035045 ↗
56. Yuan X. X. · 2011
57. Lu J. · Energies · 2013 · 6 · 601610.3390/en6116016 ↗
58. Ganapathy S. · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1633510.1021/ja508794r ↗
59. Cheon S.‐E. · J. Electrochem. Soc. · 2003 · 150 · A79610.1149/1.1571532 ↗
60. Ryu H.‐S. · J. Power Sources · 2006 · 153 · 36010.1016/j.jpowsour.2005.05.037 ↗
61. Yuan L. X. · J. Power Sources · 2009 · 189 · 12710.1016/j.jpowsour.2008.10.033 ↗
62. Ryu H. S. · J. Power Sources · 2009 · 189 · 117910.1016/j.jpowsour.2008.12.073 ↗
63. Yang Y. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 1538710.1021/ja3052206 ↗
64. Wang Y. · Electrochim. Acta · 2009 · 54 · 406210.1016/j.electacta.2009.02.039 ↗
65. Xiong S. Z. · Ionics · 2012 · 18 · 86710.1007/s11581-012-0697-9 ↗
66. Nelson J. · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 633710.1021/ja2121926 ↗
67. Cañas N. A. · J. Power Sources · 2013 · 226 · 31310.1016/j.jpowsour.2012.10.092 ↗
68. Waluś S. · Chem. Commun. · 2013 · 49 · 789910.1039/c3cc43766c ↗
69. Waluś S. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150016510.1002/aenm.201500165 ↗
70. Tonin G. · Sci. Rep. · 2017 · 7 · 275510.1038/s41598-017-03004-4 ↗
71. Conder J. · Nat. Energy · 2017 · 2 · 1706910.1038/nenergy.2017.69 ↗
72. Gao J. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 2513210.1021/jp207714c ↗
73. Lowe M. A. · RSC Adv. · 2014 · 4 · 1834710.1039/c4ra01388c ↗
74. Zhu P. Y. · J. Phys. Chem. C · 2014 · 118 · 776510.1021/jp4123634 ↗
75. Cuisinier M. · J. Phys. Chem. Lett. · 2013 · 4 · 322710.1021/jz401763d ↗
76. Cuisinier M. · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 269710.1039/C4EE00372A ↗
77. Wujcik K. H. · J. Electrochem. Soc. · 2014 · 161 · A110010.1149/2.078406jes ↗
78. Cuisinier M. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 140180110.1002/aenm.201401801 ↗
79. Gorlin Y. · J. Electrochem. Soc. · 2015 · 162 · A114610.1149/2.0081507jes ↗
80. Wujcik K. H. · Adv. Energy Mater. · 2015 · 5 · 150028510.1002/aenm.201500285 ↗
81. Dominko R. · J. Phys. Chem. C · 2015 · 119 · 1900110.1021/acs.jpcc.5b05609 ↗
82. Gorlin Y. · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · A93010.1149/2.0631606jes ↗
83. Wujcik K. H. · J. Electrochem. Soc. · 2017 · 164 · A1810.1149/2.1441614jes ↗
84. Vizintin A. · J. Power Sources · 2017 · 344 · 20810.1016/j.jpowsour.2017.01.112 ↗
85. Pascal T. A. · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 154710.1021/jz500260s ↗
86. Pascal T. A. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2015 · 17 · 774310.1039/C4CP05316H ↗
87. Patel M. U. M. · ChemPhysChem · 2014 · 15 · 89410.1002/cphc.201300972 ↗
88. See K. A. · J. Am. Chem. Soc. · 2014 · 136 · 1636810.1021/ja508982p ↗
89. Xiao J. · Nano Lett. · 2015 · 15 · 330910.1021/acs.nanolett.5b00521 ↗
90. Wang H. · J. Phys. Chem. C · 2017 · 121 · 601110.1021/acs.jpcc.7b01922 ↗
91. Huff L. A. · Surf. Sci. · 2015 · 631 · 29510.1016/j.susc.2014.07.027 ↗
92. Chivers T. · Inorg. Chem. · 1972 · 11 · 252510.1021/ic50116a047 ↗
93. Levillain E. · New J. Chem. · 1997 · 21 · 335
94. Vijayakumar M. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2014 · 16 · 1092310.1039/C4CP00889H ↗
95. Wujcik K. H. · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 1840310.1021/acs.jpcc.6b04264 ↗
96. Wang Q. · J. Electrochem. Soc. · 2015 · 162 · A47410.1149/2.0851503jes ↗
97. Xu K. · Chem. Rev. · 2004 · 104 · 430310.1021/cr030203g ↗
98. Xu K. · Chem. Rev. · 2014 · 114 · 1150310.1021/cr500003w ↗
99. Su Y.‐S. · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 3985
100. Liang X. · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 568210.1038/ncomms6682 ↗