伍倫貢大學梁驥&昆士蘭科技大學孫子其 AM 綜述：非鋰金屬-硫二次電池

【成果簡介】

日前，《Advanced Materials》發表了題為?“Non-Lithium Metal-Sulfur Batteries: Steps towards a Leap” 的綜述文章，通訊作者為梁驥博士（澳大利亞伍倫貢大學）、孫子其副教授（澳大利亞昆士蘭科技大學），共同第一作者為洪曉東副教授（遼寧工程技術大學）和梅俊（昆士蘭科技大學）。

【圖文簡介】

圖1. 二次電池的發展前景和階段目標

背景：隨著目前鋰資源的日益消耗，非鋰金屬二次電池的開發迫在眉睫。各類非鋰金屬負極的應用可以有效降低成本并避免鋰枝晶所帶來的一系列問題。同時，廉價的硫正極材料具有理論容量高、安全性好的優勢。因而，非鋰金屬-硫二次電池體系的開發對于新型儲能器件的發展具有至關重要的作用。為了進一步提高現有鋰電池的質量、體積能量密度，繼鋰離子電池后的新型電池體系開發至關重要，其發展目標如圖1所示。此外，表1列舉了各種不同金屬/硫電池的理論能量密度，不難發現這些電池體系均能實現較高的質量/體積能量密度，尤其是鎂/鋁-硫電池體系的體積能量密度比鋰硫電池更有優勢。由此可見，根據不同應用的具體需求和側重，目前開發新型電池的思路是尋找相應的非鋰金屬-硫電池體系以替代鋰-硫電池體系，擔負起后鋰電池時代的重擔。

表1.?不同金屬-硫二次電池的理論能量密度

內容：依照各類實際應用的具體特征，有側重的滿足儲能器件高安全性、高能量密度和低成本的研發需求，是目前設計各類儲能器件的切實可行的有效手段。本論文總結了新型金屬-硫二次電池體系，包括鈉-硫（Na-S）、鉀-硫（K-S）、鎂-硫（Mg-S）、鈣-硫（Ca-S）和鋁-硫（Al-S）電池的原理、電極材料設計和最新研究進展（圖2）。

圖2. 非鋰金屬-硫二次電池體系的應用示意圖

該綜述論文共分為四部分，第一部分介紹了鋰電池和鋰硫電池的發展，闡述了非鋰金屬-硫電池研究的可行性的和必要性。第二部分詳細介紹了Na-S電池體系，包括室溫Na-S電池的原理、正極材料、電解液、功能隔膜和鈉負極保護和設計。第三部分介紹了以鉀、鎂、鈣和鋁為負極的金屬-硫電池，側重討論了不同電池體系的反應機理、正極材料設計和電解液的最新研究進展。最后，作者總結了非鋰金屬/硫正極電池面臨的嚴峻挑戰和可行的解決思路。這類新型電池體系目前存在的關鍵問題包括Na/K活性金屬負極的潛在安全性、可靠性問題，以及Mg-S和Al-S電池的體系反應機理不成熟、多硫化物的穿梭效應、Mg-S和Al-S電池的離子轉移和去溶劑化性能差、正極硫含量低等問題。針對不同問題，作者提出了不同新型電池的改進措施，為新型電池性能的進一步提升指明了可能的研究方向。

圖3. 新型金屬/硫二次電池性能的改進措施

意義：鋰資源的短缺和價格上漲導致非鋰金屬二次電池的研發迫在眉睫，論文從新型非鋰電池的反應原理、正極硫載體材料的選擇、電解液組分確定和金屬負極的設計等方面（圖3）為新型非鋰金屬/硫電池的研發提供了理論指導，方便研究者更快、更準確地把握新型電池體系的研究方向。

文獻鏈接：（Advanced Materials, 2018, https://doi.org/10.1002/adma.201802822）

本文由伍倫貢大學梁驥研究團隊供稿，材料人編輯部編輯整理。

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