十篇頂刊！5分鐘帶你快速了解鋰硫電池最新進展

由于單質硫（S₈）具有較高的理論比容量（1675 mAh/g）和理論能量密度（2600 Wh/kg），以硫正極和金屬鋰負極組成的鋰硫電池已成為高能量密度鋰二次電池的研究熱點。此外，硫還具有資源豐富、價格低廉以及環境友好等優勢。但目前鋰硫電池的實用化還面臨幾大挑戰：1）單質硫和放電產物硫化鋰（Li₂S）電子/離子導電性差，氧化還原動力學遲緩；2）循環過程中正極的巨大體積變化；3）充放電過程中，長鏈中間產物多硫化物（Li₂S_n，4≤n≤8）易溶解于常用有機電解液中，然后穿過隔膜與鋰負極發生副反應，造成活性物質損失；4）鋰金屬負極枝晶生長帶來的安全隱患。

為解決以上問題，相關研究人員進行了大量努力，并取得了一些進展。今天，筆者就來盤點一下近期鋰硫電池的研究成果，以期向大家傳達其最新進展！

1、空心鉬酸鹽微球作為催化性硫載體改善硫正極電化學性能

雖然鋰硫電池具有較高的能量密度，但它的應用還受到幾個瓶頸的嚴重阻礙，包括嚴重的穿梭行為和硫正極的緩慢氧化還原動力學，特別是在高硫負載和貧電解質的條件下。在本文中，南開大學高學平教授、劉勝教授引入空心鉬酸鹽（CoMoO₄、NiMoO₄和MnMoO₄）微球作為催化主體，以解決以上問題。鉬酸鹽對可溶性多硫化鋰的轉化具有較高的固有電催化活性，獨特的中空球形結構可分別為電催化和抑制穿梭提供豐富的位置和空間限制。同時，事實證明，鉬酸鹽對多硫化物的獨特吸附表現出“火山型”特征，并遵循薩巴蒂耶原理。實驗顯示，具有中等吸附性的NiMoO₄空心微球具有最高的電催化活性，有利于提高硫正極的電化學性能。在高硫負載（8.18 mg cm^-2）和低電解質/硫比（E/S，4 μL mg^?1）下，S/NiMoO₄復合正極可實現7.41 mAh cm^-2（906.2 mAh g^-1）的高面積容量。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202010693

2、具有固相轉換機制的硫正極助力高循環穩定性鋰硫電池

固-固反應對于解決鋰硫（Li-S）電池的主要挑戰非常有效，例如多硫化物的穿梭效應和對電解質消耗的高度依賴性。但是，此類正極的低硫含量和緩慢氧化還原動力學極大地限制了Li-S電池的實際能量密度。在此，華中科技大學黃云輝教授、李真教授報道了一種合理設計的分級正極以同時解決上述挑戰。該正極由納米級硫核和硒摻雜的硫化聚丙烯腈（PAN/S₇Se）殼組成，具有68%的硫含量。該復合正極具有多個優點：1）PAN/S₇Se骨架不僅充當電子/離子通道，而且還充當容量貢獻者；2）由于外部形成的致密SEI以及PAN/S₇Se對納米硫核的緊密包覆，碳酸酯溶劑的滲透被有效隔絕。因此，該正極在高活性物質負載和低電解質/硫比下，在商業碳酸酯電解液中實現了出色的固-固反應動力學，穩定循環超過500圈。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003690

3、有機二硒化物介體提高鋰硫電池硫的氧化還原動力學

鋰硫（Li–S）電池由于其極高的理論能量密度而被認為是有前景的下一代儲能設備，其中可溶性多硫化鋰作為固有的氧化還原介體在Li–S電化學中至關重要。然而，固有的多硫化物介體的較差介導能力會導致緩慢的氧化還原動力學，進一步導致倍率性能受限、放電容量低和容量衰減迅速。在此，北京理工大學黃佳琦教授提出了一種有機二硒化物（二苯二硒化物，DPDSe）作為氧化還原介體來加速硫的氧化還原動力學。DPDSe自發地與多硫化鋰反應生成具有改善氧化還原介導能力的苯基硒代多硫化鋰（LiPhSePSs）。LiPhSePSs具有更快的硫氧化還原動力學，并增加了硫化鋰的沉積尺寸。因此，DPDSe介體賦予了Li–S電池在低負極過量和2C下817 mAh g^-1的超高倍率容量，并具有出色的循環穩定性。此外，采用DPDSe介體的Li–S袋式電池可實現301 Wh kg^-1的實際初始能量密度和30次穩定循環。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202007298

4、MoS₂–MoN異質結構加速多硫化物轉化實現高能量密度鋰硫電池

鋰硫電池被認為是下一代高能量密度儲能的最佳能源設備。然而，諸如低能量密度和短循環壽命的一些問題阻礙了它們在工業中的應用。在這里，加拿大西安大略大學孫學良院士、陜西科技大學宋浩杰教授報道了一種在碳納米管陣列上生長MoS₂-MoN異質結構納米片的自支撐正極。在這種異質結構中，MoN充當促進劑，提供耦合電子以加速多硫化物的氧化還原反應，而具有二維層狀結構的MoS₂提供平滑的Li⁺擴散途徑。MoN和MoS₂分別具有各自的優勢，可以協同促進多硫化物的“吸附-擴散-轉化”過程，以抑制多硫化鋰的穿梭。因此，該研究設計的正極表現出優異的長期循環性能，在1C下可進行1000次循環，每圈循環衰減率低至0.039％，并具有高達6C的高倍率性能。另外，在較低的電解質/硫負載（E/S）比為6.3 mL g^-1的情況下，也可以實現13.3 mAh cm^-2的高初始面積容量。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003314

5、原位固化策略固定鋰硫電池中的多硫化物

鋰硫（Li-S）電池最近成為下一代儲能系統有希望的候選電池。然而，多硫化物的溶解和穿梭問題造成了嚴重的性能退化，阻礙了其實際應用。在此，中科院金屬研究所李峰研究員、孫振華研究員報道了一種通過2，5-二氯-1，4-苯醌（DCBQ）在電解液中引發親核取代反應原位固化多硫化物的策略。多硫化物可以通過DCBQ以固態有機硫的形式進行共價固定，從而使多硫化物在正極內得到有效固定，有助于高容量的保留。此外，研究還發現DCBQ的苯醌基能加速鋰離子的遷移，從而促進硫的氧化還原反應動力學。因此，添加DCBQ的Li-S電池具有良好的電化學性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.012

6、具有雙功能界面的LGPS固態電解質助力全固態鋰硫電池

Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）具有高離子電導率，并且與硫正極兼容。然而，LGPS對Li不穩定和Li枝晶生長的問題仍未解決。在這里，馬里蘭大學王春生教授、姚霞銀教授通過在LGPS/Li界面處依次還原Mg(TFSI)₂-LiTFSI-DME液態電解質中的鹽和溶劑，在Li和LGPS之間形成了親鋰-疏鋰梯度中間層，從而解決了這兩個挑戰。 Mg(TFSI)₂-LiTFSI首先被還原，由于疏鋰性差異，在鋰表面上形成了親鋰的Li_xMg合金富集層，并在Li_xMg頂部形成了疏鋰的LiF富集層。隨后還原的DME溶劑在富LiF層和LGPS之間形成柔性有機聚合物。因此，Li/LGPS/Ni-Li₂S-LiTiS₂全固態電池在100 mA g^-1（0.26 mA cm^-2）下顯示出699.7 mAh g^-1（1.07 mAh cm-2）的可逆容量（基于Ni-Li₂S-LiTiS₂）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02617

7、MoS₂納米花修飾的石墨烯納米片催化提高鋰硫電池的容量和循環壽命

高硫負載是實現鋰硫電池高能量密度的關鍵。然而，在硫負載提高過程中，暴露出一些嚴重問題，例如倍率性能和循環穩定性變差。正極和隔膜的系統化改造有可能通過提高多硫化物的吸附和催化轉化來解決這些問題。在此，福建師范大學張章靜教授等人通過缺硫金屬1T-MoS₂納米花修飾的石墨烯(FM@G)對正極和隔膜進行系統的修飾。開發的電池具有優異的循環性能，循環500次后的容量保持率為71.7%。重要的是，即使在4.27 mA cm^?2的高電流密度和5.1 mg cm^?2含硫量下，也可實現穩定的循環性和1360 mAh cm^?3的高體積容量。電化學性能可與最先進的碳基硫電池相媲美，甚至更優越。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003718

8、具有分層微納簇結構的雙金屬層狀氫氧化物作為高性能鋰硫電池的先進硫儲庫

硫電極的合理結構對于尋求切實可行的鋰硫(Li–S)電池至關重要。在此，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士、河北工業大學Yongguang Zhang教授、Yan Zhao教授報道了一種具有獨特微納米結構的雙金屬NiCo層狀雙氫氧化物（NiCo-LDH）作為鋰硫電池的先進儲硫材料。與單金屬共層狀雙氫氧化物（Co-LDH）相比，雙金屬結構實現了在空心多面體納米結構中組裝大量富集、小型化和垂直排列的LDH納米片，這在幾何上有利于主客體相互作用的界面暴露。除此之外，二次金屬的引入增強了層狀雙氫氧化物（LDH）與硫物種之間的化學相互作用，實現了硫的強固定化和催化作用，從而實現了快速持久的硫電化學。此外，有利的NiCo-LDH在結構上升級為緊密堆積的微納米團簇，具有便利的長程電子/離子傳導和堅固的結構完整性。由于這些特性，相應的Li–S電池在800次循環中實現了優異的循環性能，每個循環的最小容量衰減為0.04%，并實現了高達2 C的良好倍率性能。此外，在5.5 mg cm^?2的高硫負載下，可實現4.3 mAh cm^?2的高可逆面容量。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202003400

9、阻燃聚磷腈改性夾層提高鋰硫電池的安全性和電化學性能

多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應和易燃有機電解質燃燒引起的潛在安全隱患嚴重限制了鋰硫（Li–S）電池的實際應用。在這里，南京理工大學朱俊武教授、付永勝教授報道了一種阻燃聚磷腈（PPZ）共價改性的多孔石墨烯/碳化纖維素紙作為Li–S電池的多功能夾層。在放電/充電過程中，阻燃夾層會通過PPZ和LiPS之間的親核取代反應將其捕獲，有效抑制LiPS的穿梭作用，從而增強了Li–S電池的循環穩定性。同時，這種強化學相互作用增加了鋰離子的擴散系數，從而加速了鋰化反應并實現完全轉化。此外，所獲得的夾層可以用作新的三維集流體，以建立阻燃“副電極”，該電極可以捕獲溶解硫并吸收大量電解質，從而顯著降低硫正極和電解液的可燃性，以提高Li–S電池的安全性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202007549

10、具有雙重作用的局部高濃度電解液助力實用鋰硫電池

鋰硫（Li-S）電池具有高能量密度、低成本和環境友好的固有優勢，顯示出作為下一代儲能系統的潛力。但是，由于鋰負極和硫正極中活性物質的不可逆損失，實際Li-S電池遠未達到高能量密度和穩定的運行。在此，華中科技大學謝佳教授為實際Li-S電池設計了一種改性的局部高濃度電解液（MDHCE，LiFSI: LiTFSI：DME:DOL:TTE=0.66:0.33:1:0.2:3，摩爾比），它可實現325 Wh kg^-1的高能量密度和穩定的循環。這種電解質使得混合界面具有高穩定性和快速的鋰離子傳輸，從而提高了鋰負極的可逆性和硫正極的反應動力學。 MDHCE的實用性在0.4 Ah Li-S軟包電池中得到了進一步證明，該電池沒有明顯的容量衰減，庫侖效率為穩定在99.6％。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.01.008

本文由月輪供稿。

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