鋰硫電池被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。

近年來隨著移動電子設備、電動汽車和智能電網的飛速發(fā)展，高能量密度電池體系的需求不斷加大。

鋰硫電池以單質硫或含硫化合物作為正極、金屬鋰作為負極，基于硫和鋰之間的多電子轉化反應實現(xiàn)能量儲存，其理論能量密度高達2600 Wh kg-1，是目前商業(yè)化鈷酸鋰/石墨電池理論能量密度的6 倍以上（387 Wh kg-1）。同時，硫自然資源豐富、價格低廉且環(huán)境友好，有望進一步降低電池成本，符合電動汽車和大規(guī)模儲能領域對電池的要求。因此，鋰硫電池被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。

由于硫的電導率低、充放電中間產物多硫化物易溶于電解液，充放電時體積變化較大，鋰硫電池正極通常面臨著活性物質利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、庫侖效率低等問題，嚴重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應用。

提升硫正極導電性

“如何有效提升硫正極導電性，抑制多硫化物溶解并緩沖活性物質的體積變化，是發(fā)展高性能鋰硫電池并最終實現(xiàn)其實際應用的關鍵之一?！敝袊茖W院金屬研究所研究員李峰向《中國科學報》介紹說：“由于碳材料具有導電性高、表面積大、孔結構豐富及結構多樣化等優(yōu)點，可為硫電極構建高效且穩(wěn)定的導電網絡，并對多硫化物起到良好的吸附和錨定作用，同時為硫的體積膨脹提供緩沖空間，從而有效提升活性物質利用率、電化學反應動力學和電極循環(huán)穩(wěn)定性?！?/p>

為此，他們以碳質材料為基礎，圍繞硫正極存在的關鍵問題，從碳材料導電/限域網絡構建、界面調控和一體化電極結構設計出發(fā)，對硫正極結構進行設計優(yōu)化，以提升硫的電化學活性，抑制多硫離子在電解液中的溶解與擴散，并緩沖硫在充放電過程中的體積變化，為高能量密度、長循環(huán)壽命鋰硫電池的設計提供科學依據(jù)。

“我們發(fā)現(xiàn)，與大直徑碳納米管相比，采用直徑較小的碳納米管，具有較高的電子傳導效率，能夠在實現(xiàn)較高硫含量條件下，保證電子/離子擴散路徑，從而提升硫利用率?！敝锌圃航饘偎饺趑娌┦拷榻B說，基于這個認識，利用具有互聯(lián)導電網絡結構的單壁碳納米管薄膜，他們實現(xiàn)了硫含量高達95wt%的硫/單壁碳納米管網絡結構復合電極，硫在復合電極中呈納米級均勻分布。通過簡單的層疊法，可實現(xiàn)8.63mAh cm-2的面容量，提升了電極的實用價值。

該研究團隊將棉花經過高溫碳化處理后獲得三維連通空心碳纖維泡沫，以此作為三維集流體，結合碳納米管和碳黑納米顆粒，為硫電極構建兼具短程和長程的多級導電網絡，實現(xiàn)了單位面積硫載量高達21.2mg cm-2的復合硫電極設計。三維集流體能在三維尺度上保證與活性物質良好的導電接觸，從而提升高硫載量時的活性物質利用率，實現(xiàn)了高達23.32mAh cm-2的面容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性?！盎谌S集流體對電解液的高吸附能力，我們提出了限域多硫化物的新機制:電極在吸附電解液的同時，也將溶解在電解液中的多硫化物吸附在正極區(qū)域，從而有效抑制了多硫化物的擴散，保證了電極良好的循環(huán)穩(wěn)定性?！?/p>

一體化電極結構設計

除了正極材料和電解液方面的進展外，近期的研究表明鋰硫電池結構設計和改進也可以有效地抑制或消除穿梭效應。由于電池結構主要由正極、負極、隔膜組成，通過采用在正負極之間添加夾層的設計及隔膜改造可以有效地抑制多硫化物的擴散和負極鋰枝晶的生長，從而提高活性物質利用率及增加電池循環(huán)壽命。

采用高孔容石墨烯作為硫載體，部分氧化石墨烯作為間隔層，高導電石墨烯作為集流體，提出了全石墨烯基正極結構設計。高孔容石墨烯實現(xiàn)了電極材料80wt%的硫含量與電極5mg cm-2的硫載量。部分氧化石墨烯表面適量的含氧基團能有效吸附多硫化物，提升電極循環(huán)性能。高導電石墨烯集流體能提升電極活性物質與集流體的黏附力，同時其輕質的特點有助于電池整體能量密度的提升。通過三種石墨烯的協(xié)同作用，全石墨烯硫正極可實現(xiàn)高達90%的活性物質利用率與優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

“我們將通過原位或外原位表征技術，觀察不同硫含量和硫載量電極在充放電過程中的結構變化，及其對金屬鋰負極的影響，探索高硫載量電極在長循環(huán)下容量衰減和庫侖效率降低的機制，并從電解液優(yōu)化、鋰負極保護等方面對電池整體進行改進，為進一步提升高硫載量電極的穩(wěn)定性和反應可逆性提供指導?！崩罘灞硎?，未來他們將基于碳基一體化電極的設計思想，組裝鋰硫全電池并測試其電化學性能，探索實際應用。