阿尔伯塔大学Xiaolei Wang&Ge Li教授Nano energy综述：通过合理的设计和工程策略实现高性能锂硫电池- 大数跨境

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阿尔伯塔大学Xiaolei Wang&Ge Li教授Nano energy综述：通过合理的设计和工程策略实现高性能锂硫电池

科学材料站

2021-01-19

导读：本文系统地介绍了目前锂硫电池充放电反应存在的影响因素，主要问题的起源和相关性，总结了锂硫电池反应的性能优化方面的研究发展、以及最新的先进设计和工程策略。

文章信息

通过合理的设计和工程策略实现高性能锂硫电池

第一作者：Wenjing Deng

通讯作者：Ge Li*， Xiaolei Wang*

单位：阿尔伯塔大学 (University of Alberta)

研究背景

锂硫电池 (LSBs) 由于其高的比能量、对环境友好性和低成本生产特点一直备受关注，是下一代可充电电池中很有希望的候选者。它们即使代表了研究最成熟的电池系统之一，也无法在目前充分实现其高放电容量和稳定的长循环性能，特别是在实际的应用条件下，这进一步阻碍了它们进入储能系统的市场。

对于锂硫电池所涉及的复杂的多相转化型化学过程中出现的未解决的问题，例如多硫化物的不可逆迁移、缓慢的反应动力学、锂负极的低可靠性等，解决方法目前仍在研究中。充分地理解当前锂硫电池中各个组分的面临的挑战和应对的研究策略，对其实现高性能的发展可以提供更科学的引导。

文章简介

近日，阿尔伯塔大学Prof. Xiaolei Wang 与Prof. Ge Li等合作。在国际顶级期刊Nano Energy上发表题为“Realizing High-Performance Lithium-Sulfur Batteries via Rational Design and Engineering Strategies”的综述文章。

本文系统地介绍了目前锂硫电池充放电反应存在的影响因素，主要问题的起源和相关性，总结了锂硫电池反应的性能优化方面的研究发展、以及最新的先进设计和工程策略。

具体概述的优化方法包括，电极纳米结构设计、材料的吸附和催化、化学共价的固定、电子结构的修饰、电解质的调控、界面结构的构筑、新型的制造技术，进而为实现高储能容量、长寿命、低成本和安全锂硫电池的发展提供了指导。最后，对该储能装置未来的研究方法和应用前景进行了总结和展望。

本文要点

要点一：锂硫电池反应的主要问题和影响因素

本文分析了锂硫电池在电化学过程中的主要制约问题和影响性能的因素。这主要分为硫及其中间体的绝缘性质，迟缓的多电子氧化还原动力学反应，多硫化锂溶解和扩散穿梭效应，循环过程中电极体积的膨胀，锂负极的不稳定性，自放电和电池内部安全问题。组装电池体系的关键参数等因素同样影响着最后放电和循环性能。

要点二：针对锂硫电池性能优化的合理设计和工程策略

作者系统地讨论了实现高能锂硫电池的策略方法的主要进展，主要包括正极硫宿主的纳米结构设计和物理封装；调节活性材料的吸附和催化性能用于加速硫的氧化还原反应；共价键连接对有机硫电极进行化学固定；电极材料电子结构、杂原子掺杂和的缺陷调控来改善硫化学的反应动力学；电解液中盐组分、溶剂，辅助添加剂和氧化还原介质的调节以提高锂硫电池的可靠性；隔膜和中间层的结构构造改进以实现界面化学修饰；新型电极结构设计和实用的锂硫电池系统的开发以实现商业应用。

要点三：前瞻

为了推动锂硫电池向未来商业化方向发展，一些关键的研究方向是值得重视的。比如载硫量和振实密度的提高以应对实际电池参数条件，3D和自支撑材料的设计，固态电解质，阻燃添加剂和热稳定隔膜的进一步研究，化学稳定性及副反应发生在电解质工程中的改善，原位表征和高通量计算在研究新型电池的应用。实现锂硫电池在多电子高比能储能系统的应用仍需要进一步的实用化发展。

文章链接

Realizing High-Performance Lithium-Sulfur Batteries via Rational Design and Engineering Strategies

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521000203

第一作者介绍

邓文晶

加拿大阿尔伯塔大学化学材料工程系博士研究生，2018年获北京化工大学高分子材料工程学士学位，2019年获美国凯斯西储大学高分子科学硕士学位。主要从事纳米材料在锂硫电池以及新型电池的应用研究。

通讯作者介绍

Dr. Ge Li

现任加拿大阿尔伯塔大学机械工程系助理教授、博士生导师，长期从事能源材料及能源器件领域的研究；曾先后在美国加州大学洛杉矶分校、加拿大滑铁卢大学从事访问学者及博士后研究员工作。迄今为止，Dr. Li已在Nat. Commun., Nano Energy, Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci. 等杂志发表文章近30篇，并多次在国际会议上作邀请报告。Dr. Li课题组目前主要从事高性能电催化剂的设计与开发及其在锂硫电池、金属-空气电池以及新型电池领域的应用。并获加拿大自然科学基金委（NSERC）和阿尔伯塔未来能源系统基金委（FES）等资助支持。

Dr. Xiaolei Wang

现任加拿大阿尔伯塔大学助理教授、加拿大康考迪亚大学客座教授；2004年获大连理工大学高分子化工学士学位，2007年获天津大学化学工艺硕士学位，2013年获美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）博士学位。课题组主要从事先进材料在微纳米层级的设计、合成，及其在清洁能源技术领域的应用，特别是在锂/钠离子电池、锂硫电池、超级电容器以及新型电池和电催化技术、电池回收与再利用等研究领域已经获得加拿大自然科学基金委（NSERC）、加拿大新型前沿研究基金项目（NFRF）、阿尔伯塔未来能源系统基金（FES）、魁北克省基金委（FRQNT）以及魁北克先进材料中心（CQMF）多项资金项目支持。近年来在国际权威学术期刊，如Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等，发表论文60余篇，H因子为36。曾获NSERC Discovery Accelerator Supplement, Petro-Canada Young Innovation Award，Concordia University Research Chair，并担任多个国际学术期刊的编委、特邀编辑及特邀审稿人。

课题组介绍

Please visit Dr. Xiaolei Wang’s Nano For Advanced Clean Energy (NanoFACE) Laboratory at

https://sites.google.com/view/nanofacelab/home.