北理工黃佳琦&袁洪Adv. Sci.綜述:實現500 Wh kg-1鋰硫電池的負極選擇

【引言】

大規模應用可再生能源替代化石燃料是應對氣候變化和環境污染、實現可持續發展和全球碳中和的核心要求。其中以可充電電池為代表的電化學儲能裝置，在高效儲能和轉換方面表現出巨大潛力。特別是鋰離子電池（LIBs）由于其能量效率高、循環壽命長、安全可靠、能量密度可達300 Wh kg^-1等優點，在電動汽車、便攜式電子設備和智能電網中得到了廣泛的應用。然而，由于插層電極材料的容量限制，LIBs難以實現高于400 Wh kg^-1的能量密度。據此，鋰硫（Li-S）電池的理論能量密度為2600 Wh kg^-1，被認為是實現高能量密度最有前途的下一代電池技術之一。自1960年代首次嘗試以來，已經開展了大量研究，重點是提高正極比容量、延長循環壽命以及避免循環過程中多硫化物穿梭。然而，考慮到實現500 Wh kg^-1?Li-S電池的目標，電解液用量和鋰負極量必須控制在有限的水平。其中，為了解決鋰金屬負極在體積變化與電解質和多硫化物之間高反應性的問題，采用鋰基合金作為替代負極材料提供了一個有前景的方案。

近日，北京理工大學黃佳琦教授和袁洪特別研究員（共同通訊作者）系統地評估了使用鋰金屬或鋰基合金構建實際能量密度為500 Wh kg^-1的鋰硫電池的潛力和可行性，考慮了目標能量密度為500 Wh kg^-1所需的電解液用量，提出了一種逐步過濾負極材料的三階定量分析方法。在第一級，只考慮活性材料的重量，電極比容量設為理論值；在第二級，電解液被視為關鍵標準，電極比容量設置為實驗報告值。在第三級，能量密度是基于Li-S軟包電池的所有組件（包括集流體和封裝過程）計算的。按照上述方式，作者考慮了十種負極材料，實驗表明只有Li-Mg合金具有除鋰金屬外實現500 Wh kg^-1 Li-S軟包電池的可能性。因此，討論了最近對Li-Mg和其他鋰基合金的研究，并提供了一個重要的發展前景。這項工作有望為實現高能量密度和長循環 Li-S電池提供一條有前途的途徑，并鼓勵嘗試對鋰金屬以外的替代鋰基合金負極進行嘗試。相關研究成果以“Anode Material Options Toward 500 Wh kg^-1?Lithium-Sulfur Batteries”為題發表在Adv. Sci.上。

【圖文導讀】

圖一、不同負極材料的鋰硫電池在第一級評價時的理論能量密度

圖二、評估達到500 Wh kg^-1的能量密度目標所需的電解液量

（a）電極結構示意圖；

（b，c）E/S比與能量密度之間的關系；

圖三、實用化Li-S軟包電池能量密度的評估

（a-c）Li、Li₉Mg和Li_4.4Si的E/S比、面積硫載量和能量密度之間的關系；

（d）對比不同負極材料為達到500 Wh kg^-1的能量密度目標。

圖四、Li-S電池中Li-Mg合金負極概括

（a）計算的二元Li-Mg相圖；

（b）Li₇Mg₃在非水系電解液中的循環伏安圖以說明其穩定性；

（c）含Li-Mg合金負極的Li-S電池的充放電曲線；

（d）Li-S電池中Li和Li-Mg負極的循環性能對比；

（e，f）鋰金屬負極和Li-S合金負極在0.5 mA cm^-2電流下沉積24小時后的SEM圖像。

圖五、鋰金屬負極合金保護涂層研究進展

（a）使用離子液體在鋰金屬負極上構建鋁鋰合金保護層的示意圖；

（b）帶有鋁鋰合金保護負極的Li-S電池在4 C下的循環性能；

（c）不同溫度下鋁保護層鋰基負極的EIS圖譜；

（d）Sn包覆鋰負極的Li-S電池在0.5 C下的循環性能。

【小結】

綜上所述，根據本文提出的三級評價方式，最終確定Li-Mg合金負極作為一種很有前途的鋰金屬負極材料，有望實現500?Wh?kg^-1?Li-S電池。研究表明，雖然僅使用其他鋰基負極材料并不能實現高能量密度，但它們與鋰金屬一起制備的復合負極可以解決鋰金屬負極的挑戰。利用合金負極材料替代鋰負極的鋰金屬電池已經有了一些重要的研究，相信以后鋰基負極的發展將對實現長循環500?Wh?kg^-1?Li-S電池能做出更多重大的貢獻。

文獻鏈接：“Anode Material Options Toward 500 Wh kg^-1?Lithium-Sulfur Batteries”(Adv. Sci.，2021，10.1002/advs.202103910)

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