Adv. Energy Mater. 综述：全面解析锂-硫电池氧化还原反应优化策略- 大数跨境

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Adv. Energy Mater. 综述：全面解析锂-硫电池氧化还原反应优化策略

科学材料站

2020-10-29

导读：该综述系统地介绍了Li-S电池的充放电反应机理、影响因素和表征手段，总结了Li-S电池反应的最新优化策略，包括材料设计、电极结构优化以及电解质工程，从而指导高性能的Li-S电池的开发。最后，对这一储能

研究背景

储能系统是智能电网、便携式电子设备和电动汽车的重要组成部分。可持续能源供应和低碳经济的需求推动了可充电电池等高能量密度储能装置的蓬勃发展。然而，目前最先进的锂离子电池已接近其理论极限，阻碍了其在储能领域的进一步应用。

为了实现高能量密度超过500wh/kg的目标，必须探索一种基于低摩尔质量活性材料的新型电池系统。其中，锂硫电池具有极高的能量密度（2600Wh/kg），被认为是可以替代锂离子电池的储能装置之一。传统的有机液体Li-S电化学过程涉及硫的多步氧化还原反应、多相转化和多步离子/电子扩散等，限制了其实际应用潜力。

目前，对锂硫电池的实际机理及其对性能的影响的深入、全面的认识还处于初级阶段。各种电化学分析和原位技术的应用，在微观结构与宏观电化学性能之间架起了桥梁，从而为锂硫电池的优化设计提供了更科学的指导。

文章简介

对Li-S电池反应机理、表征、优化策略及其相互关系的深入分析无疑会推动这种储能器件的快速发展。近日，电子科技大学熊杰教授团队在国际知名期刊Adv. Energy Mater.上发表题为“Optimizing Redox Reactions in Aprotic Lithium–Sulfur Batteries”的综述文章。

本文系统地介绍了锂硫电池充放电反应机理、影响因素和表征方法，总结了锂硫电池反应的最新优化策略，包括材料设计、电极结构优化、电解质工程等，进而指导锂硫电池的高性能发展。最后，对该储能装置的应用前景进行了展望。

图3. Li-S电池反应的优化策略

本文要点

要点一：Li-S电池机理和影响因素

本文分析了硫氧化还原反应的机理，指出制约电化学过程的主要因素是产物的绝缘性能、循环过程中硫电极的体积膨胀、多硫化物的溶剂化动力学以及电子和离子的传输速率。电极微观结构（孔隙率和厚度）、硫粒径等因素也会影响锂硫电池的反应过程。

图1. Li-S电池结构及反应机理

要点二：Li-S电池的表征和电化学方法

本文综述了锂硫电池反应的先进表征技术和电化学方法。它主要分为三个功能：i）监测氧化还原反应行为；ii）识别充放电产物；iii）跟踪多硫化物在电解液中的溶解。深入了解不同组成和结构的锂硫电池的实际电化学行为，为锂硫电池的优化设计提供科学指导。

图2. Li-S电池的表征和电化学方法

要点三：Li-S电池反应的优化策略

作者系统地讨论了在促进硫氧化还原反应的优化策略方面取得的重大进展，包括阴极材料设计（纳米结构化硫/碳复合材料、碳基体的极化处理、极性宿主材料的表面化学调节、硫/硫化锂的电子调控）、电极结构优化（新型集流体设计、导电剂优化、功能粘结剂开发、无粘结剂构筑）和电解质工程（溶剂/盐组分调节、新型电解质添加剂、多硫化物的利用、氧化还原介体）。

要点四：前瞻

总之，对Li-S化学的全面理解和调控策略的创新，有力地推动了高性能Li-S电池的发展。为了实现其高能量密度，今后的研究应更加注重一些实际参数，如高负载、稀薄电解质和有限的阳极等，这些都是Li-S电池走向未来商业化的关键。作者认为，在实际条件下深入研究新型Li-S化学方法有望成为Li-S电池实用化发展的突破口，还将激发其他基于多电子高比能电池新体系的研究热潮。

文章链接

Optimizing Redox Reactions in Aprotic Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Energy Mater. 2020, 2002180. DOI: 10.1002/aenm.202002180

文献链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202002180