Energy Environ. Sci.: 锂硫电池的一体两面

小学生

2020-11-30

随着社会的发展，人类对于电池能量密度提升的需求愈加紧迫。硫作为正极材料具有1672 mAh/g理论比容量，高于传统氧化物正极材料一个数量级，可以赋予电池更高的能量密度。硫作为石油化工副产物产量大且廉价，而目前应用的过渡金属氧化物正极离不开钴和镍元素，二者在地壳中储量有限。而且在许多钴矿开采地大量雇佣童工。因此使用硫正极在成本、可持续化以及道义上都是有益的。在负极方面，锂金属氧化还原电位低、轻质且具有超高的比容量（3861 mAh/g或2062 mAh/L），这些性质远超现有负极材料。因此，相比于现有的储能体系，锂硫电池具有相当高的能量密度（以平均放电电压2.15 V计，锂硫电池理论能量密度为2510 Wh/kg_Cell或2741 Wh/L_Cell，但这只是反映了纯硫和薄的纯锂片的组合，是不现实的）。实际上，锂硫电池主要存在四个问题：多硫化锂穿梭、硫电极的导电率低、锂枝晶生长以及由于循环过程中硫或锂活性物质的膨胀收缩导致的固态电解质破裂。基于此，丰田北美研究所研究员Patrick Bonnick及首席科学家John Muldoon在《Energy & Environmental Science》杂志发表题为“The Dr Jekyll and Mr Hyde of lithium sulfur batteries”的综述文章，详述锂硫电池体系的优势及不足，以及未来的研究方向。

本文要点

1)   作者从“多硫化锂穿梭效应的抑制”、“实现低液硫比和高硫载量提升电池能量密度”、“锂金属负极库伦效率的提升以及电化学行为的探索”、“固态电解质的应用”等方面详细介绍了锂硫电池现阶段研究状况；

2)   为了实现400 Wh/kg的能量密度，锂硫电池的硫载量应大于3 mg/cm²，液硫比小于3，且硫的利用率大于75 %，目前很难同时做到这三点。将硫共价键合在聚合物骨架上可以避免产生多硫化物，但势必会减少质量比容量。使用固态电解质也可以避免产生多硫化物穿梭，但固态电解质的离子传导率以及对金属锂的稳定性仍需优化。

3)   用于长循环的锂金属负极的库伦效率必须高于99.96 %才可能保证循环500周后有80 %的容量保持率。而且要在大于4 mA/cm²的电流密度下有超过4 mAh/cm²的面积比容量，且不能产生枝晶导致短路。因此今后的研究应该着重于锂枝晶形成的原因。同时发展均匀多层的人工SEI，并考虑将人工SEI、成核助剂及特殊设计的集流体相结合来解决锂金属长循环的问题。

参考文献：

P. Bonnick et al. The Dr Jekyll and Mr Hyde of lithium sulfur batteries, Energy Environ. Sci., 2020

DOI: 10.1039/D0EE02797A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/EE/D0EE02797A#!divAbstract