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重质和具有催化活性的金属氧化物作为硫载体助力高体积能量密度锂硫电池
导读
经过近十余年发展，锂-硫电池的质量能量密度已经有了很大提高，成功超越商用的锂离子电池。然而，锂-硫电池的体积能量密度却始终不理想，成为制约其进一步发展的瓶颈。其中，硫正极是提升电池体积能量密度的关键。
为了提高锂-硫电池的体积能量密度，南开大学高学平教授课题组近日在国际知名期刊Advanced Science上发表了题为“High Volumetric Energy Density Sulfur Cathode with Heavy and Catalytic Metal Oxide Host for Lithium–Sulfur Battery”的研究文章。南开大学刘亚涛是该文的第一作者。
导师解析
体积能量密度是二次电池体系的重要性能指标。目前锂-硫电池的质量能量密度已经有了较大发展，成功超越商用锂离子电池，但其体积能量密度却始终不理想，这严重限制了锂-硫电池在诸多领域的潜在应用和发展。
为此，本文探讨提出了三“高”原则，即硫复合材料的高硫含量、硫电极的高硫面载量和载体材料的高密度，以此提升硫电极的体积能量密度，并兼顾了电极的质量能量密度。
基于该策略，可以构筑高密度且优良电化学活性的电极，相应硫电极的体积能量密度有望与商用的锂离子电池嵌入式正极相竞争。
具体而言，该文提出了用重质材料代替传统轻质碳纳米材料来制备致密硫电极的通用方法。在此基础上，研究者尝试引入理论密度高达6.5 g/cm3的镧锶锰氧化物(La0.8Sr0.2MnO3)作为硫的载体材料。La0.8Sr0.2MnO3不仅可以提高硫电极的密度，其本身还是一种优异的电催化剂，可加速多硫化锂在充放电过程中的扩散、吸附和电荷转移过程。因此，S/La0.8Sr0.2MnO3电极表现出较高的质量/体积比容量和良好的循环稳定性。
背景简介
活性物质硫的理论密度较低，仅为2.07 g/cm3，这是阻碍锂-硫电池体积能量密度提高的根本原因。而且，轻质碳材料的大量使用会进一步降低硫电极的密度，并增加孔隙率，降低体积能量密度。因此，常规的硫/碳电极很难与商用的锂离子电池用金属氧化物正极竞争。提高锂-硫电池体积能量密度的一个可行办法是构筑致密化的硫电极。假设硫电极中硫的含量为64 wt%，硫的放电比容量为1000 mAh/g，则硫正极的密度应该达到1.34–1.61 g/cm3才可能与锂离子电池正极材料相媲美。
核心内容
基于三“高”原则，该研究团队制备了具有钙钛矿结构的La0.8Sr0.2MnO3作为硫的载体材料。该金属氧化物呈纳米纤维状，能够在硫电极中形成三维的导电网络结构，满足硫基复合材料的高硫含量（>80wt%）和硫电极的高硫面负载量（>4 mg/cm2）的基本要求。La0.8Sr0.2MnO3的真密度高达6.5 g/cm3，振实密度达2.59 g/cm3，可满足载体材料的高密度要求。
同时，La0.8Sr0.2MnO3本身是一种优异的电催化剂，可加快扩散、吸附和电荷转移过程，提高充放电过程中多硫化锂的氧化还原反应速率。因此，S/La0.8Sr0.2MnO3复合材料可以在实现电极致密化的同时并保持较好的电化学活性，兼顾了电极的质量能量密度和体积能量密度。
第一作者解析
在目前锂-硫电池的研究中，碳材料是应用最为广泛的硫载体材料。虽然硫/碳电极可以提供较高的质量能量密度，但其疏松多孔的特性导致硫电极的体积能量密度较低。此外，硫/碳电极较高的孔隙率导致电解液用量较高，限制了质量能量密度的进一步提升。
导师点评
在构筑高体积能量密度硫电极的三“高”原则中，载体材料的催化能力是保证硫电极具有高电化学活性的基础。因此，合成具有更高催化活性的高密度载体材料将有助于进一步提升硫电极的电化学性能。基于重质和具有催化活性的基质材料构建致密硫电极是一种新的尝试，将有助于兼顾锂-硫电池的质量和体积能量密度，为锂-硫电池的未来发展奠定基础。
导师简介:
高学平，南开大学材料科学与工程学院，新能源材料化学研究所，研究员。
