东北大学张鹏副教授，河南大学赵勇教授，EnSM：氧化还原介质促进高性能锂硫电池的研究进展与展望

第一作者：靳伟华，张小玉

通讯作者：赵勇*，张鹏*

单位：东北大学，河南大学

锂硫（Li-S）电池由于其高理论能量密度而被认为是下一代储能系统。然而，固态硫物种的绝缘性质和多硫化锂（LiPSs）的高活化势垒导致硫氧化还原动力学缓慢。因此，开发有效的策略来加速LiPSs的形成/转化动力学至关重要。近年来，氧化还原介质（RMs）已被探索用于催化硫的氧化还原反应，并被证明是促进Li-S电池进一步发展的先进策略。这篇综述及时总结了已报道的RMs的工作原理，并根据其不同的反应机制和在硫氧化还原电化学中的关键功能对其进行了分类。随后，这篇综述强调并总结了RMs基于建立新的反应途径和新的反应中间体生成等反应机制的重要研究进展。最后，本文概述了RMs的选择标准和一般设计原则、当前研究的一些不足和未来的研究趋势。这篇综述将为RMs未来的研究方向提供及时而全面的参考，以促进高性能Li-S电池的发展。

近日，来自东北大学的张鹏教授与河南大学的赵勇教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“High-Performance Li-S Batteries Boosted by Redox Mediators: A Review and Prospects”的综述文章。该综述文章首先详细概括了已报道的RMs的工作原理并将其划分为两个主要类型和五个子类，随后结合具体的研究工作，重点归纳了RMs分子在Li-S电池中特定的一个或多个电化学反应过程中的功能之间的相关性，最后为高性能Li-S电池中RMs的未来发展提出了选择标准、总体设计原则以及未来的研究方向。

限制锂硫电池商业化的一个关键问题是硫的导电性差。为了克服这个问题，在阴极中使用了许多导电剂，如碳和粘合剂；对高硫质量负荷的各种研究都采用了较厚的阴极，这增加了面积容量，但没有增加体积容量。因此，这种类型的RMs可以作为导电表面和硫化物之间的电子转移剂引入到锂硫电池中。这些RMs分子通常在活性材料与内部和外部之间提供额外的电荷转移路径，这不仅可以扩大反应面积，还可以优化当前的常规调制方法，例如许多非活性材料（如导电剂和粘合剂）带来的低电池能量密度。这使得Li-S电池能够在高硫负载下实现高容量。

对于可以通过将LiPSs转化为新中间体来促进其氧化还原反应动力学的材料，我们将其分为三类。第一种是与LiPSs形成硫代硫酸盐/连多硫酸盐，通过内部化学反应促进LiPSs的转化；二是调整LiPSs的内在结构，改变其分子结构，以增强其氧化还原介导的容量，减少LiPSs积累和穿梭效应引起的容量降解；第三种是通过合适的RMs将S8分子直接转化为稳定吸附的小硫物种（），然后在放电过程中直接将还原为Li₂S₂和Li₂S，而不形成可溶性多硫化物，进一步彻底解决了“穿梭效应”。

本文对氧化还原介质促进高性能Li-S电池的研究进展进行了全面详细的综述，并对该领域的未来研究提出了以下几点展望：

i）RMs的快速电化学氧化还原及其与硫物种的化学反应显著提高了Li-S电池的动力学性能，但二者之间的促进关系仍难以定量。因此，关注RMs的各种动力学指标及其影响因素至关重要，如氧化还原电位、空间位阻、扩散动力学、表面条件（RMs与阴极助剂材料和/或Li2S之间的相互作用）和电解质条件（盐浓度和溶剂类型）。结合原位/非原位技术与计算模拟将有助于全面了解这些动力学指标在定量提高电池性能中的作用，以便为构建切实可用的电池组配条件、电化学性能与RMs分子结构之间的定量描述符奠定基础。

ii）RM介导的Li-S电池应优先考虑面向实用型的开发。虽然已经取得了重大进展，但大多数研究都使用了具有低硫负载和过量电解质的扣式电池。这种评估方法所能提供的有关RMs适配Li-S电池的应用信息有限，并且由于在实际组装条件下反应动力学/响应机制的转换不足和潜在的不良反应，在实际应用中可能会引起相对较大的性能差异和安全问题。因此，有必要在更严格的光谱实验下确定RMs的效率和RMs在电池运行过程中的潜在额外反应。这将有助于筛选低成本、低毒性和高稳定性的外源性RMs。同时，完善内源性RMs的描述符对于评估其在实际电池中的适用性同样至关重要。

High-Performance Li-S Batteries Boosted by Redox Mediators: A Review and Prospects

赵勇教授简介：博士，教授，国家高层次青年人才。1999-2003年，西北农林科技大学应用化学本科；2003-2008年，中国科学院化学研究所物理化学博士研究生（导师：江雷 教授）；2008-2015年，日本东京大学工学院应用化学系博士后（导师：桥本和仁（Kazuhito Hashimoto）教授）；2016年-至今，河南大学特种功能材料教育部重点实验室“攀登计划”特聘教授。目前的主要研究方向是高比能电池新型电解质和电极材料的设计与构筑，以及电极反应机理探究。在Joule、Nature Communication、Journal of American chemical society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Chemical Society Reviews等学术期刊上发表SCI论文五十余篇，授权发明专利5项。以第一完成人获得河南省自然科学二等奖。

张鹏副教授简介：2016年7月博士毕业于中科院兰州化学物理研究所；2016年7月—2021年6月，先后在河南大学、武汉大学、南方科技大学等单位工作和从事博士后研究工作；2021年7月至今在东北大学理学院工作。

主要研究方向：主要从事储能领域的膜反应研究，包括电池领域的新型隔膜、高活性电极界面保护膜和膜反应器中的化学反应和离子传输机制等。迄今为止，在Journal of American chemical society、Angewandte Chemie International Edition、Chemical Society Reviews、Advanced Functional Materials、Journal of Energy Chemistry和Energy Storage Materials等学术期刊，发表SCI论文40余篇，多篇文章引用超100。主持国家和省级自然科学基金。

靳伟华 目前在东北大学理学院攻读硕士学位，主要研究方向为改性隔膜用于高性能锂硫电池上。

张小玉 目前在东北大学理学院攻读硕士学位，主要研究方向为水系锌离子电池负极修饰膜的设计。