近年来，由于电动汽车、便携式设备和电网存储的迫切需求，高能量、低成本的锂硫电池（LSB）得到了大力的研究。对于电动汽车应用，LSB的面积容量需要达到5 mAh cm-2才能与最新的锂电池相竞争。
然而，由于基础研究与应用要求之间的科学知识差距（如高硫负荷超过5 mgcm-2，低电解质含量E/S比小于3 μL mg-1）阻碍了LSB的实际应用。此外，在高硫负荷条件下，穿梭效应、缓慢氧化还原动力学和安全问题将变得更加严重。
因此，研究高硫负荷下的电化学稳定性和安全性，对高能量密度LSB电池的研制具有重要意义。
近日，天津工业大学程博闻教授，康卫民教授课题组在国际顶级期刊Energy Storage Materials 上发表题为“Towards high energy density Li–S batteries with high sulfur loading: From key issues to advanced strategies”的工作。
本文综述了高硫负载LSB的基础研究和当前的发展策略，包括多硫化锂（LiPSs）的锚定、电催化和整体安全策略。对于LiPSs的锚定策略，其作用机理包括物理吸附/阻隔、化学锚定和静电相互作用，如引入中空结构、片状结构等结构设计或制备非电中性材料、极性材料等来抑制穿梭效应。在电催化策略方面，综述了0D纳米颗粒/纳米球、一维纳米纤维/纳米线/纳米棒、二维纳米片和三维纳米立方体催化材料在加速氧化还原反应中的应用。
第三部分综述了液体/固体电解质改性材料、高性能隔膜/夹层、人造SEI层和复合金属负极的最新进展。最后，在展望部分，详细分析了三种策略的优缺点，并对未来实现高能量密度LSB提出了一些见解。
本文共同通讯作者为康卫民教授，邓南平博后和程博闻教授。
随着先进储能材料的开发和利用，LSBs技术得到了迅速的发展，并取得了巨大的进步。虽然研究者已经讨论和制定了一些参数来实现高能量密度的LSBs，但是很少有研究能够同时达到所有这些标准。
此外，对于电动汽车来说，要达到300英里以上的行驶里程，电池的表面容量需要达到5毫安时·厘米-2，能量密度要达到500瓦时·千克-1，才能满足实际的动力输出要求，这就要求将负载硫含量提高到商业要求的水平（5毫克·厘米-2）。
然而，在大多数研究中，一些关键参数远低于实际应用水平，如低硫含量（小于65%）、低硫面载量（小于3mg·cm-2）、高电解质/硫比（大于10μL·mg-1），导致电池的实际能量密度远低于300Wh·kg-1，不能满足下一代电动汽车和智能电网储能系统的需求。
理论上，正极的实际面积容量直接取决于其硫含量和表面负载量。因此，为了提高锂硫电池的能量密度，开发高负载硫锂硫电池势在必行。
从物理限域，化学吸附到催化转化
物理限域：为了抑制多硫化锂的扩散，可以用多孔核壳结构材料将硫限制在里面，在正极和隔膜之间可以用多功能片状中间层作为“墙”，带正电荷的材料可以掺杂在正极或隔膜表面、带负电荷的材料依靠静电力都可阻碍LiPSs的穿梭。
化学吸附：虽然碳材料可以作为物理屏障来缓解穿梭效应，但在硫负荷较高的情况下，碳材料可以缓解但不能阻止LiPSs溶解在电解液中，不利于LSBs的长周期运行。因此，具有强极性的材料受到了研究者的青睐。这种具有很强吸收功能的材料可以将LiPSs固定在正极侧，很好地解决了穿梭问题。
催化转化：物理和化学吸附或两者的结合可以在一定程度上限制活性物质的损失，提高电池的循环性能。然而，在充放电过程中，固体S8到最终产物Li2S2/Li2S的反应是一个复杂的多相转变过程，S8和Li2S2/Li2S的绝缘性能将进一步导致反应动力学缓慢和氧化还原过电位问题。因此，通过材料表面缺陷或化学键的形成促进了Li2S2/Li2S的形成和离解，减少其在电极表面的沉积，加速锂化/脱硫反应，提高离子扩散速率，可以很好地改善LSBs的性能。
虽然在提高LSBs的性能方面已经取得了许多进展，但是这种技术的商业前景取决于它能否被制成耐用和安全的设备。事实上，锂枝晶生长失控等一些不可避免的内在安全机制问题也阻碍了LSBs的快速实际发展。锂枝晶的形成很容易导致死锂的产生，极化加剧，电池短路，在反复剥离/电镀过程中体积变化很大。这些问题大大降低了电池的库仑效率，引发了安全问题。
特别是在过充或高速充电过程中，锂离子会迅速沉积在锂负极表面，加速锂枝晶的生长并刺穿隔膜，造成内部短路和安全隐患。另外，在高温条件下，当温度达到电解液、隔膜、负极的闪点或熔点时，电池极易燃烧甚至爆炸。
基于此，许多研究小组开发了新型功能性电解液添加剂，以抑制锂枝晶的形成，降低电解液的可燃性。同时，还报道了一些固态电解质，以消除LiPSs的穿梭效应，提高LSBs的可靠性和安全性。此外，还开发了具有优良机械性能、热稳定性、离子导电性和适当孔隙率的隔膜，以提高电池的安全性能。
对于未来锂硫电池研究所面临的挑战和机遇，作者从以下几个方面提出了见解与展望：
未来锂硫电池发展策略：原位技术，功能材料，关键参数以及机理探索。
（1）硫含量、E/S比等参数与商业标准相差甚远。建议在实验过程中考虑电池的总质量，以便于能量密度的计算。建议组装软包进行测试，以便更准确地量化和比较电化学性能。为了获得更高的能量密度，建议增加硫的面负载量，并适当减少电解液的用量。
（2）正极材料的孔隙率是一把“双刃剑”。平衡正极孔隙率与电解液用量的关系是提高正极容量和电池能量密度的关键。
（3）目前报道的大部分研究进展都是基于常规的非原位表征，不能真实地反映材料在整个过程中发生的结构变化。建议探索新的原位技术，结合不同的原位技术，为阐明其内部机理和界面变化提供更全面的证据和更有力的支持。
当前，针对高能量密度高安全性LSB的开发迎来了新的阶段。正如本文所概述的那样，解决锂硫电池所面临的问题需要采用多种策略。此外，研究者们首先要把研究过程中的参数提升到一定标准，结合先进的工程技术方法，才能加快高比能锂硫电池商业化的进程。通过数学模型计算，结合先进人工智策略，也将为纳米储能领域的研究提供有力支撑，从而推动高效纳米储能领域的发展。
Towards high energy density Li–S batteries with high sulfur loading: From key issues to advanced strategies
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720302658#!
康卫民，天津工业大学教授，博士生导师，长期从事纳微纤维材料的研究与教学工作，主持完成与在研国家自然基金项目2项，参与在研或完成国家级项目8项；获得国家科技进步奖二等奖1项，省部级科技进步一等奖4项，二等奖5项；授权发明18项，参编教材和著作6部，2015年来以第一作者和通讯作者发表SCI收录论文50篇，高被引论文4篇；入选全国纺织青年科技创新领军人才和天津市131创新型人才培养工程第一层次人选；担任Nanoscale，Journal of Power Sources 等多个国际期刊审稿人。
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