AFM综述文章，加拿大阿尔伯塔大学&四川大学深度解析：多价金属-硫电池的崛起之路，发展、挑战与机遇并存的未来能源储存技术

第一作者：赵静

通讯作者：曾宏波*，江智超*，肖尧予*

为应对全球减少碳排放和实现碳中和的挑战，能源的绿色转型变得至关重要。尽管锂离子电池（LIBs）在多个领域取得了成功，但它们的理论容量限制、耐久性问题和成本问题限制了其在更广泛应用中的潜力。因此，开发具有更高能量密度和成本效益的新一代电池技术变得至关重要。多价金属-硫电池，以其丰富的自然资源、成本效益、安全性和高性能潜力，正成为未来能源存储技术的有力竞争者。这一领域的研究正在迅速发展，展现出巨大的发展前景。然而，多价金属离子的特性，如大半径、高电荷密度和强烈的溶剂化效应，给其与传统电池材料的兼容性带来了挑战。这要求我们采用创新的材料设计和工程策略来克服这些障碍。尽管存在挑战，多价金属-硫电池仍有望成为推动能源存储技术发展的关键力量。

最近，加拿大阿尔伯塔大学曾宏波院士&四川大学江智超\肖尧予团队，在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“The Rise of Multivalent Metal–Sulfur Batteries: Advances, Challenges, and Opportunities”的综述文章。文章重点剖析了各种金属化学在多价金属-硫电池中的反应路径，以及它们可能面临的关键技术难题，同时明晰了不同金属化学之间的差异性。文章不仅梳理了该领域的最新研究动态，还聚焦于Mg、Ca、Al、Zn、Fe、Cu等特定多价金属，涵盖从硫正极材料、电解液、金属负极到集流体/隔膜的不同组分，对它们在提升电池性能中的关键作用进行了深入的分析和讨论。此外，文章特别强调了多价金属-硫电池在在柔性/微型能量存储设备中的应用潜力，探讨了实现这些创新应用所需的材料选择和结构设计。最后，在展望部分，文章深入讨论了多价金属-硫电池领域目前所面临的挑战，并对未来的研究方向做出了展望。

图2. 每种金属-硫化学对应的反应途径

本文全面梳理了多价金属-硫电池在正极材料设计、电解液优化和金属负极保护等关键技术领域的最新研究进展，并初步揭示了电池容量衰减的内在机制。然而，现有硫宿主材料的设计策略尚显简陋，对多价金属负极的保护措施在实际应用中的探索亦显不足。此外，多价金属-硫电池的完整反应机理尚未被完全理解，多硫化物对金属负极的具体影响仍是一个未解之谜。为了深入挖掘这些问题的解决之道，需要我们进一步深化对相关材料设计和理论基础的认识。因此，为了全面提升多价金属-硫电池的性能并加速其产业化步伐，文章提出了以下几个至关重要的研究方向和考虑要点：

（1）深入理解硫转化化学：多价金属-硫电池的电化学反应机制尚需进一步明确。电解液的组成和用量对硫的电化学行为起着决定性作用，关键问题包括确定硫在初始放电过程中的还原产物（S82-, S62-, S42-），验证中间相的形成（MgS2, CaS2, Al2S3, ZnS），选择最优的反应机制（液态、准固态、固态），以及研究其在极端条件下（低电解液量、高硫负载量、高充放电率）的反应行为。为此，建议综合运用原位表征技术（如XRD、拉曼光谱、XPS、电子显微镜技术等）、电化学分析和理论模拟，以深入探究硫的转化反应机制。

（2）硫正极材料设计及结构优化：设计硫正极材料是提高多价金属-硫电池性能的关键。其挑战在于硫的不完全电化学转化反应，这主要归因于硫正极的反应动力学缓慢。借鉴锂硫电池的相关研究经验，可以设计功能性硫宿主材料，如吸附剂、电催化剂和氧化还原介质，以提高硫的转化效率。此外，探索新的硫正极结构，如能锚定多硫化物、调节宿主材料的表面性质、增强与硫（或多硫化物）的界面性能，也是提升电池性能的有效途径。建议利用表面工程技术对硫正极进行表面修饰，以优化硫的存储和释放行为。

（3）金属负极保护策略：金属负极的保护策略对多价金属-硫电池的电化学性能至关重要。面临的主要问题包括表面腐蚀、枝晶形成和体积变化。建议采用纳米结构或三维负极支架来减轻体积膨胀问题，并利用电解液添加剂或人工保护层来增强电池性能。合金金属涂层（如Ga、Sn、In）因其优异的综合性能显示出在电池性能提升中的应用潜力。此外，借鉴锂硫电池的相关研究经验，利用高浓度电解液或形成离子-离子络合物以减少多硫化物的活性，是保护多价金属负极的有效策略。

（5）实用化电池设计的突破与创新：多价金属-硫电池的实用化设计需要进一步优化，特别是在柔性器件中的应用。当前的设计重点正从单一追求正极材料的质量比容量，逐步转向平衡考虑面积比容量，以满足不同应用场景的需求。为了提升微型电池的性能和生产效率，需要对制造工艺进行简化，同时不牺牲其面积性能。此外，探索微型电池的多功能性，如增强其灵活性、集成性，并实现正负极的可逆切换，将进一步扩大其应用范围。

（6）利用AI技术推动发展：AI技术在电化学储能领域的应用前景十分广阔。通过高精度计算、材料基因组和机器学习方法，可以促进理论和实验的结合，促进多价金属-硫电池的材料设计和性能优化。建立开源平台和数据库，对电极或电解液材料进行高通量筛选，以探索新的合成方法，并利用机器学习辅助实时监测、异常检测和故障诊断，将显著提升电池的安全性和可靠性。

肖尧予研究员简介：四川大学机械工程学院特聘研究员，入选“国家海外高层次人才引进计划”青年项目。主要从事新型智能变形高分子及其柔性智能器件的设计与开发工作。研究范围涵盖新型形状记忆高分子和液晶弹性体材料的研制，储能器件的开发，以及基于活性材料的自驱式软体机器人、智能触敏驱动体系、智能织物与可穿戴设备的开发工作等。迄今，以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Progress in Polymer Science、Advanced Functional Materials等国际主流期刊发表多篇SCI论文。

江智超副研究员简介：四川大学机械工程学院特聘副研究员，入选四川大学“双百人才工程”计划。先后在四川大学、加拿大舍布鲁克大学以及加拿大阿尔伯塔大学学习和工作。迄今，以第一作者或通讯作者在Angewandte Chemie International Edition（3）、Progress in Polymer Science、Advanced Materials、Advanced Functional Materials等国际期刊发表多篇SCI论文。