【导读】
锂-硫（Li-S）电池由于具有较高的理论能量密度，被认为是打破锂离子电池的储能系统局限性的最有希望的方案之一。这篇综述基于对结构构造，催化转化和界面工程的机械学的见解，着重讨论了高负载锂-硫电池开发中的问题和相应的策略，旨在弥合基础研究与实践之间的差距。并从目前取得的成果出发，提出了针对高能量密度Li-S电池商业化的未来方向。
【背景简介】
1.为什么要研究Li–S电池？
可充电锂离子电池已随着电能消耗的激增而应用到现代社会的各个方面。然而，基于插层机理的常规正极和负极材料的比容量几乎都达到了其理论值。因此，我们非常需要锂离子嵌入机理以外的新型电池化学。锂硫（Li–S）电池是下一代储能应用中最有前途的电池系统之一，因为其极高的比容量(1675 mA hg-1)和的能量密度(2600 W h kg-1)。与目前使用的正材料如LiCoO2，LiFePO4和LiMn2O4相比，硫的储量也较为丰富。
2. Li–S电池存在的问题
尽管有上述优点，但在实现其市场潜力之前，仍需要解决其三个固有的缺点。首先，具有稳定循环结构的最稳定但电绝缘的S8（≈10-14S cm-2）被用作Li–S正极的起始材料，大大限制了活性材料的充分利用，无法达到理论容量。
其次，多步还原过程将高溶解度的多硫化锂（LiPSs）中间体（Li2Sx，x = 4-8）会释放到有机电解质中。基于实验和理论研究，对Li-S电池的反应机理的进一步研究表明，在电化学过程中存在各种中间体，这表明与简单的逐步反应模型相比，电池的化学性质要复杂得多。结果，可溶性中间体可以通过聚合物隔板扩散到负极表面，从而导致活性材料的损失和负极的降解。
第三，原料（硫，2.07 g cm-3）和放电产物（Li2S，1.66 g cm-3）之间的密度差会导致连续循环过程中体积发生重大变化，从而损害正极结构的完整性并导致严重的容量衰落。除了上述有关Li-S电池正极侧的问题外，负极侧还出现其他问题，例如不稳定的固体电解质中间相（SEI），表面钝化和不受控制的锂枝晶生长。
3.锂硫电池高负载研究现状
迄今为止，大多数实验室大规模研究基于硫含量低于2 mg cm-2的电池，这低于实际应用的要求。因此，高硫负荷研究是弥合实验室规模研究与工业化之间差距的关键。研究人员有责任在更大范围内验证其策略的可行性和稳定性。
根据以前的报告的计算，需要达到大于5 mg cm-2的面负载，比容量为1000 mAh g-1（相当于5 mAh cm-2的面容量），以得到高能量密度的Li–S电池。不幸的是，从低负载电极配置到制造高负载Li–S电池的简单放大是不现实的，因为较厚的层会带来全新的难题，不仅涉及正极，而且还有电解质和负极。因此，如何在不损害整体性能的前提下增加锂电池的单位面积负荷和容量成为了储能领域的热门话题。
【文章介绍】
在这里，电子科技大学熊杰，Xianfu Wang和Chaoyi Yan等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Strategies toward High-Loading Lithium–Sulfur Battery”的综述。本文第一作者是Yin Hu.
该综述与以往对基于电池系统不同部件的高负载锂硫电池的研究不同，作者从不同的机理出发，对高负载锂硫电池的基本问题和有针对性的解决方案进行了较为深入的研究。总结了高负载锂硫电池在保持阴极结构完整性、抑制梭形效应加剧、减小锂离子扩散距离和势垒、防止锂枝晶形成等方面面临的主要问题和挑战（图1）。讨论了相应的策略，并结合近年来的研究进展，提出了高能量密度（>500wh kg-1）锂硫电池的发展方向。
图1. 高负荷锂硫电池的主要挑战说明
文章链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000082
老师介绍：
熊杰，教授，博导，国家优秀青年科学基金、四川省杰出青年基金获得者，四川省学术和技术带头人，教育部新世纪优秀人才，四川省千人计划。低维功能材料与量子器件研究所 所长。
长期从事低维功能材料的教学、科研和人才培养工作，发表SCI论文170篇，被SCI 他引3000多次，其中以第一作者或通讯作者在Science, Nature Chemistry, Nature Communications, Physical Review Letters, Advanced Materials，Joule等发表110篇，研究成果入选“中国高等学校十大科技进展”；先后负责包括国家自然科学基金、国家863项目、青年973项目、军科委、总装预研等20余项科研项目；申请国家发明专利50项（授权26项）；出版专著/教材（章节）5本，在国际国内学术会议和学术机构上作报告30余次(邀请报告15次)。
已与国内（清华、北大、华科、中科院、等）、国际（剑桥、美国LANL、Stanford、MIT、Brown、TAMU等）等单位建立了广泛深入的合作关系。
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