郑子剑&崔屹&张强AEM综述：柔性锂硫电池中“无所不能”的纤维材料- 大数跨境

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郑子剑&崔屹&张强AEM综述：柔性锂硫电池中“无所不能”的纤维材料

科学材料站

2020-10-06

导读：锂硫电池是一种极具吸引力的高比能二次电池，可用于未来柔性可穿戴电子产品，但同时实现足够的柔韧性、稳定性和高能

锂硫电池是一种极具吸引力的高比能二次电池，可用于未来柔性可穿戴电子产品，但同时实现足够的柔韧性、稳定性和高能量密度是一个挑战。近年来，研究表明纤维材料具有柔韧性好、重量轻、比表面积大、性价比高等优势，有望实现高能量密度的柔性电池。

近日，香港理工大学郑子剑教授（通讯作者）联合斯坦福大学崔屹教授及清华大学张强教授综述了纤维材料在柔性锂硫电池中的最新应用进展，重点讨论了材料的合成与制备、纤维结构与功能的设计、电池单元的布局，以实现高库仑效率、长循环寿命和良好的柔性。相关论文以题为“Fibrous Materials for Flexible Li–S Battery”发表在Adv. Energy Mater.上。

背景介绍

在过去的几十年中，人们对开发可同时为锂硫（Li–S）电池提供高能量密度，长循环寿命和良好柔韧性的先进材料的兴趣日益浓厚。其中，纤维材料由于其比表面积大，重量轻，柔韧性好和成本效益高而成为一种理想的选择。

在材料方面，纤维由金属、碳、陶瓷、聚合物以及它们的复合材料组成。纤维材料的结构包括实心、中空，核-壳结构，或分层多孔结构。物理上，大多数纤维材料是柔性的，甚至是可拉伸的，可以承受复杂的变形。从技术上讲，纤维材料及其组件可通过各种高通量方法（如纺丝、真空渗透及纺织技术）大规模制造。

纤维材料已被证明可作为Li-S电池组件，包括锂负极和硫正极的集流体、缓冲层、夹层和固态电解质（SSEs）。鉴于纤维材料在Li–S 电池中的巨大应用前景，本文介绍了这一快速发展领域的最新进展。

图文导读

要点1：Li–S 电池的工作原理和挑战

Li-S电池通过锂金属负极和硫正极之间的转换反应释放能量。锂金属被氧化后在负极产生锂离子和电子，它们分别通过电解液和外部电路到达硫正极。在正极侧，有一个两步放电过程，首先在≈2.3V的电压平台下，S8被还原为长链多硫化物（Li2Sn，4≤n≤8，易溶于电解液），然后在≈2.1V下继续被还原成固态Li2S2/Li2S。

面临的挑战：电化学方面， 1）锂负极表面SEI的形成过度消耗电解液；2）锂枝晶生长带来的安全隐患；3）可溶性Li2Sn在电解液中的溶解和迁移导致硫的不可逆损失；4） S/Li2S的电绝缘特性；5）循环中硫正极的体积膨胀。物理方面：1）集流体（铜、铝箔）固有的低屈服应变导致反复弯曲时易开裂和断裂；2）刚性金属箔和其他软电池组件之间存在严重不相容问题。

图1 锂硫电池面临的挑战

要点2：纤维材料在柔性Li–S 电池中的优势

纤维材料在柔性Li–S 电池中的应用具有多种优势。电化学上，纤维锂负极和硫正极比薄膜电极具有更高的容量，这是因为纤维集流体与各自的活性材料之间存在着较大的电界面接触。此外，纤维集流体和界面层可以通过各种策略缓解Li-S电池的寄生反应，包括：1）局部电流密度的降低、锂沉积的引导、锂离子通量的重新分配和锂负极上SEI的稳定；2）通过电催化剂加速反应动力学、适应体积变化和抑制硫正极的穿梭效应。在物理方面，纤维材料具有很好的柔韧性和抗疲劳性，有利于柔性应用。

图2 纤维材料在柔性Li–S 电池中的优势

要点3：纤维材料在锂负极和硫正极集流体中的应用

本节介绍了纤维集流体的常用材料，包括纤维碳材料、纤维金属材料和纤维金属复合材料，及这些材料的制备技术。

讨论了纤维集流体对锂负极和硫正极电化学性能和机械性能的改善。对于锂负极，纤维集流体通常具有较大的电化学活性表面积，可以通过降低局部电流密度和引导锂沉积来减轻锂枝晶的形成。此外，还可以提高锂负极的柔韧性和延展性。对于硫正极，纤维集流体一方面可以改善S/Li2S导电性，另一方面可以通过物理或化学锚定作用来抑制可溶性多硫化物的穿梭效应。

图3 纤维锂负极的构建及表征

要点4：纤维材料在Li–S电池界面层中的应用

在有些研究中，界面层分别被称为锂负极缓冲层和硫正极夹层。SSEs在本节中也被认为是Li–S电池的有效界面层。本节主要讨论界面层在稳定Li–S 电池电化学性能方面的功能和优势。

对于锂负极纤维缓冲层，其作用是通过调节锂负极表面Li+的浓度来缓解锂枝晶的形成，或者用来稳定SEI。对于硫正极纤维夹层，它可以抑制穿梭效应，加速氧化还原反应动力学以及适应不同硫物种的体积变化。对于SSEs，主要是利用其固体特性和高剪切模量，同时抑制锂枝晶的形成并缓解可溶性多硫化物的溶解。此外，纤维状的SSEs还可以扩大电极和电解液之间的接触面积，确保固态Li–S 电池电化学性能的稳定。

图4 硫正极纤维夹层的作用机理及电化学性能

要点5：柔性Li–S 电池

在本节详细介绍了几种柔性Li–S 电池。1）线式Li–S电池，线式Li–S电池由一对平行，扭曲或同轴排列的纤维状锂负极和硫正极组成，具有全向柔性，可以经受复杂的变形。2）集成式Li–S电池，通过将不同电池组件无缝集成到一个单片结构中，增强了电池的机械稳定性。这种结构还可以通过减少电池的非活性体积/重量来提高电池的能量密度。3）可折叠Li–S电池，使用本质柔软和高导电性的织物是制造可折叠电池可行的解决方案。

图5 线式锂硫电池在不同受力状态下的电化学性能

总结展望

本文综述了纤维材料在柔性Li–S 电池中的最新应用进展。由于纤维材料具有理想的结构特性和多种功能，因此纤维锂负极和硫正极在电化学和机械性能方面取得了显着进展。考虑到柔性Li–S 电池的性能需进一步提高以实际应用，寄希望在以下方向进行更多的探索：1）提高纤维状SSEs的离子导电性，并使其与柔性电极无缝集成；2）开发具有良好气密性，重量轻，体积小和柔性好的电池封装材料；3）进一步探索和优化电池设计，以实现Li–S电池的长期稳定循环。