北理工Angew: 貧電解液情況下實用型鋰硫電池的挑戰與機遇

【引言】

隨著可持續能源供應的不斷增長需求，需要開發高性能和低成本的電化學能量存儲裝置。盡管目前鋰離子電池已經被大規模商業化，然而電池的實際性能已逐漸接近于理論極限，成為能源相關產業進一步發展的瓶頸。為進一步提高電池的能量密度，近年來已經做出了許多努力來開發新型的能量儲存系統。其中，基于電化學氧化還原轉換機制的鋰硫(Li-S)電池由于其超高理論能量密度受到了廣泛的關注。然而實際Li-S電池的能量密度和循環穩定性受到以下幾個問題的嚴重制約：1)硫及其放電產物電子絕緣導致動力學緩慢和硫利用率低；2)在充放電過程中硫的體積膨脹導致電極結構坍塌和電池失效；3)充放電過程中多硫化鋰的“穿梭效應”導致一系列副反應和腐蝕鋰金屬負極；4)負極鋰枝晶的不可控生長會導致安全問題。已經開發許多策略來解決上述問題并且取得了一些突破性的進展。然而，值得注意的是，這些結果通常在理想條件下進行評估，尤其是電解液通常是過量的(E/S＞10μL?mg_s^-1)。已經證明了高E/S比顯著增加Li-S電池的放電容量和循環穩定性。然而，過量的電解液會大大降低了Li-S電池的高能量密度優勢。此外，過量的電解液會帶來其他問題，例如過充和產生氣體。

【成果簡介】

近日，北京理工大學黃佳琪教授（通訊作者）團隊在Angewandte Chemie-International Edition上發表題為“Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions”的綜述文章。本綜述旨在對鋰硫電池實際應用中實現貧電解液的潛在途徑進行總結性評估。首先，討論了Li-S電化學轉換機制在貧電解液條件下的原理，結構和挑戰。然后，系統地分析了E/S比對能量密度和電池成本的影響。此外，討論了目前關于正極成分和結構設計的策略，通過非均相電催化或均相氧化還原介導的活性材料調節，以及基于硫正極通過溶解-沉積轉化或固-固轉變的電化學反應的電解質工程。 最后，提出了關于貧電解液Li-S電池的觀點，以便對鋰硫電池的基礎和工程研究的未來方向提供指導性意見。

【圖文導讀】

圖一貧電解質Li-S電池代表性工作的時間線圖

圖二實用型Li-S電池在貧電解質條件下的設計原理示意圖

圖三基于固-液-固相轉化和固-固多相轉化機理的Li-S電池的示意圖

圖四Li-S封裝的預計能量密度估計。

（a）不同的硫面負載量的能量密度與E/S比的函數。

（b）不同組分的質量各種E/S比的關系。

（c）根據硫面負載量的E/S比計算的實際Li-S封裝的成本。

圖五用于貧電解質Li-S電池的獨立式導電碳主體的設計

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（a）大面積HCFFS的光學照片以及其3D XRM圖像。

（b）在官能化纖維網絡上的多硫化物吸附示意圖。

（c）具有覆蓋微孔的石墨烯/棉-碳的合成圖示。

（d）獨立式S70-NCNS / MWCNT結構的表面和橫截面的SEM圖像。

圖六貧電解質Li-S電池硫正極的設計

（a）具有非空心材料的低孔隙率電極（左）和具有微米尺寸中空材料的高孔隙電極（右）的示意圖。

（b）2D NPC電極的橫截面SEM圖像，其硫負載量為8mg/cm²。

（c）具有致密插層轉換混合正極和相應的橫截面SEM圖像的Li-S電池的圖示。

圖七貧電解質硫正極的電催化設計。

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（a）Li₂S電沉積的電流密度分布。

（b）在貧電解質條件下由MoP催化的硫陰極的可反應途徑的示意圖。

（c）立方Ni₃FeN的原子結構模型和Ni3Fe_1-δN相的多硫化物蝕刻過程的示意圖。

圖八低E/S比固液轉換Li-S電池的電解液設計。

（a）常規醚基電解質和含DMDS電解質中表面物質的放電機理的示意圖。

（b）在二鈷茂的不存在（藍色箭頭）和存在（紅色箭頭）的情況下Li₂S的生長途徑的示意圖。

（c）具有基于TMU的電解質的Li-S電池的溶劑化介導的自由基途徑的示意圖。

圖九基于固-固轉化的硫正極結構設計

圖十用于保護多硫化物的溶劑化的液態電解質設計

（a）Li-S電池中多硫化物的無溶劑概念。

（b）在碳酸鹽/醚共溶劑電解液中硫表面上原位形成的SEI膜的示意圖。

【小結】

總之，貧電解液Li-S電池的進步需要采用整體方法來實現多個方向的進步。近年來，對Li-S電化學機制的基本認識以及能量密度和循環壽命的性能改進已經取得了巨大的進展。然而，高能量密度和低成本的目標應該在實用情況下對鋰硫電池的性能進行系統的評價。對于實用的Li-S電池來說，貧電解液是非常必要的，并且仍然很遙遠。需要更多的基礎研究和技術開發，特別是理解在低E/S條件下硫物種的電化學行為，以建立貧電解質Li-S系統的新策略。從基礎研究到實際應用，開發電化學系統，在化學，材料科學和儲能領域都存在挑戰和機遇。

文獻鏈接：“Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201909339)

本文由微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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