徐正龙教授， JMCA综述：对硫在金属硫电池体系充放电过程中的衍变机理的深刻理解与调控

第一作者：师芳仪，于静雅，陈春红

通讯作者：徐正龙

单位：香港理工大学

近些年来，锂硫(Li-S)电池因为具有高的理论容量密度和低的硫正极成本，被看作有希望取代锂离子电池成为下一代储能材料。经过多年的努力, Li-S电池的性能有了很大的提升，但因锂资源的匮乏和在实际电池应用中很难达到高能量密度，稳定的循环，使得Li-S电池的发展依旧面临着不少挑战。

针对锂资源的匮乏，探索新的金属硫电池体系近些年来引起了广泛的关注，例如钠硫电池（Na-S），钾硫电池(K-S) ，镁硫电池 (Mg-S)，钙硫电池(Ca-S)和铝硫电池(Al-S)。为了提高金属硫体系的电化学性能，探究硫在反应过程中的衍变过程也是非常必要的。新的金属硫体系有望在实现高的能量密度的同时低降低电池成本。

因此，本篇综述以了解和调控硫在电池充放电过程中的衍变为基础，探讨了目前为了提高金属硫电池电化学性能所提出的策略，此外本文也探讨了原位表征在揭示金属硫电池电化学反应的机理的应用，希望为金属硫电池的未来研究提供发展方向和指导。

基于此，香港理工大学的徐正龙，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Advances in Understanding and Regulation of Sulfur Conversion Processes in Metal-Sulfur Batteries”的综述。

该综述探索了硫在各种金属硫电池（包括Li-S, Na-S, K-S, Mg-S, Ca-S, Al-S）体系中的衍变过程，并且从电解液，电极结构和催化剂等方面总结了对硫衍变过程中的调控（例如：抑制穿梭效应，提高反应动力学），同时探讨了原位表征技术（例如：原位TEM，原位XRD）对反应机理的探索。

图1. 调控硫在金属硫电池充放电过程中的转化的典型策略的示意图

在Li-S电池体系，由硫到多硫化锂会经历过一系列多相转变。其放电反应过程可以看作四个阶段：

1. 固态硫转化为可溶的长链硫化锂（Li₂S₈）；

2. 可溶的长链的硫化锂（Li₂S₈）还原为可溶的短链的硫化锂（Li₂S₄）；

3. 可溶的短链的硫化锂（Li₂S₄）转化为固态的硫化锂（Li₂S₂, Li₂S）;

4.固态的Li₂S₂接着转化为Li₂S。除了电化学反应外，化学反应也同样在充放电反应过程中发生。

在电化学放电反应的四个阶段中，3和4被看作限速步。通过对集流体材质结构，催化剂，电解液和隔膜的设计来提高放电过程中的反应动力学，抑制穿梭效应，引导硫化锂有效的沉积和溶解来提高Li-S的电化学性能。

要点二：其他金属硫电池中硫的转变以及调控策略

相比较于Li资源的匮乏，Na, K, Mg, Ca,和Al在地球中有非常丰富的储备。所以新的金属硫电池体系因为其低成本，高的能量密度以及与Li-S电池体系相似的反应过程也引起了一定的关注度。无锂的金属硫电池体系往往因为较大的粒子半径和多价态离子的强极化出现较慢的反应动力学。

无锂的金属硫电池体系的发展还处于非常早期的阶段，Li-S电池的正极设计策略对无锂的金属硫电池体系有一定指导的作用，此外，寻找合适的电解液保证离子传输效率的金属离子的有效沉积和脱出也是非常必要的。

要点三：原位表征在探索硫转化机理的应用

金属硫电池体系的多步反应导致了复杂的反应机理。深入和系统地了解金属硫电池的反应过程将有助于提供有效的方法来解决阻碍其实际应用的基本问题。多种原位手段被应用于了解金属硫电池反应过程中结构和化学成分的变化。

原位XRD可以表征在充放电过程中相的转变，也可以表征催化剂的相转变，同样为催化效果提供有利的证明。原位TEM可以揭示金属硫电池反应过程中形貌衍变，相的转变和化学成分的变化。原位的UV可以定性/定量测定金属硫电池中的可溶性多硫化物。

要点四：展望

尽管到目前为止金属硫电池的发展已经取得了明显的进展，但在成为实用电池之前依旧面临的不少挑战。

1.需要更进一步了解反应机理。

2. 寻找合适于无锂的金属硫电池体系的电解液。

3.优化催化剂的设计从而提高反应动力学。

4.实现在实际测试条件下的稳定电化学性能（例如贫电解液，高面载量）。

图2.金属硫电池展望的示意图

“Advances in Understanding and Regulation of Sulfur Conversion Processes in Metal-Sulfur Batteries”

徐正龙，香港理工大学工业与系统工程系教授，博士生导师，主要致力于先进储能材料和器件的设计和制造（如：可充放电电池体系），基于原位表征手段（如：原位透射电子显微镜，同步辐射等）对电化学储能体系的基本原理的研究。徐教授2012年本科毕业于浙江大学，并于2016年取得香港科技大学机械工程博士学位，2020年加入香港理工大学工业与系统工程系。

目前以第一和通讯作者在 Nature Communications, Advanced Materials, Energy Environmental Science, Progress in Materials Science and Advanced Energy Materials等国内外一流期刊上发表论文40余篇。（欢迎致力于电化学，储能材料，化学等各交叉专业博士后加盟该团队

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