华南理工杜丽教授AEM综述: 锂硫电池中的改性隔膜和固态电解质- 大数跨境

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华南理工杜丽教授AEM综述: 锂硫电池中的改性隔膜和固态电解质

科学材料站

2020-05-29

导读：本文从吸附效应、分离效应和催化效应三个方面列举了具有抑制多硫化物迁移功能涂层的改性分离器。为了解决梭形效应问题，研究人员用固态电解液代替液态电解液。本文将锂硫电池用固态电解质分为三类：无机固态电解质、

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锂硫电池中多硫化物穿梭的抑制作用：改性隔膜和固态电解质

单位：华南理工大学

导读

锂硫电池具有极高的理论比容量，是最有前途的下一代储能系统之一。但由于硫和Li₂S的绝缘性、正极的体积膨胀、多硫化物的穿梭效应以及锂枝晶在负极上的生长等不可避免的缺点，严重阻碍了其实际应用。其中，聚硫穿梭效应是造成电池活性物质不可逆损耗和容量快速退化的关键问题之一。

针对上述问题，华南理工大学的杜丽教授等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Inhibition of Polysulfide Shuttles in Li–S Batteries: Modified Separators and Solid-State Electrolytes”的文章。本文第一作者是Shulian Li。

本文从吸附效应、分离效应和催化效应三个方面列举了具有抑制多硫化物迁移功能涂层的改性分离器。为了解决梭形效应问题，研究人员用固态电解液代替液态电解液。本文将锂硫电池用固态电解质分为三类：无机固态电解质、固体聚合物电解质和复合固体电解质。提出了在锂硫电池中发展抑制多硫化物穿梭的优化策略以提高循环稳定性的挑战和展望。

背景简介

1.为什么要研究LSB？

对能源的需求急剧增加。化石燃料的过度开发和使用导致了环境问题，利用可再生和可持续能源开发和利用电力引起了全世界的关注，在电动汽车和电网储能应用中发挥着重要作用。最常用的充电电池是锂离子电池（LiB），它显示出良好的能量密度、循环稳定性和能量效率。然而，LIBs无法满足电动汽车和电网储能对能源的越来越高的需求。为了克服LIBs能量密度不足的局限性，寻求其他具有足够高能量密度的电能系统是很重要的。可充电锂硫电池（LSB）是下一代能源系统的一个很有前途的候选者。它们的理论比容量高达1675 mah g^-1，理论比能量为2600 Wh kg^-1，这是锂离子电池的几倍。在锂离子电池中，天然丰富，成本低，无毒，并且环保型硫被用作正极中的活性物质。通常，LSB由锂金属负极、有机电解质、分离器和硫正极组成。硫正极通常包括硫粒子、作为导电剂的碳添加剂和聚合物粘合剂。分离器用作隔离负极和正极并防止内部短路的屏障。锂金属电池的比容量为3860 mah g^-1，是负极的最佳选择。

2.抑制穿梭效应的方法

然而，由于LSB的固有缺点，实际能量密度远小于理论能量密度。这包括硫和固态放电产物（Li₂S₂和Li₂S）的绝缘性、S还原成Li₂S后正极的体积膨胀、可溶性多硫化锂（Li₂S_x，x≥4）的穿梭效应以及锂负极上锂枝晶和死锂的形成。

其中，可溶性多硫化物锂的梭形效应是影响LSBs电化学性能和循环稳定性的关键问题之一。抑制多硫化物穿梭的方法很多，包括设计纳米复合硫正极、在硫正极上添加极性材料或官能团、通过各种涂层对分离器进行改性，并用固态电解质代替液态电解质。Yu和同事回顾了抑制多硫化物扩散的机制和改进策略，主要集中在硫正极和分离器上。Wang研究组讨论了LSBs中正极材料和分离器的各种制备方法。关于功能分离器，阐述了一些设计原则（物理吸附、化学吸附和静电斥力）此外，Yan等人总结了基于二维材料的夹层和分离器。它们通过物理限制和化学作用抑制聚硫穿梭。Guo等还提出了基于多硫化物不同功能的物理和化学方法限制多硫化物的最新进展。

核心内容

尽管已经发表了许多关于抑制聚硫化合物穿梭的评论，但没有人讨论过用于抑制聚硫化合物穿梭的改性分离器和固态电解质。本文首先介绍了聚硫穿梭的原理，然后重点讨论了抑制聚硫穿梭的两种策略：1）根据对聚硫的不同影响而对分离器进行改进；2）固态电解质，包括无机固体电解质、固体聚合物电解质和复合固体电解质。最后作者阐述了LSBs中改性分离器和固态电解质的挑战和前景。

图1. 多硫化物的梭形效应过程及充放电示意图

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000779

老师简介:

杜丽教授

杜丽于2004年获华南理工大学应用化学学士学位，2009年获华南理工大学物理化学博士学位。2017年1月至2017年12月期间，她在奥斯汀德克萨斯大学（University of Texas at Austin）担任访问学者，与John B.Goodenough教授共事。她是华南理工大学化学与化学工程学院的教授。她的研究兴趣包括设计和合成特殊形貌的介孔二氧化硅、介孔碳和纳米颗粒，特别是在锂硫电池、锂离子电池和燃料电池中的应用。目前从事介孔纳米材料的合成及电化学性能的课题研究，包括：燃料电池电催化剂、锂硫电池正极材料等方面的研究。曾主持了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东高校优秀青年创新人才培养计划项目等项目的研究。近年来课题组发表与本课题密切相关的科研论文40 余篇，申请发明专利10余件，授权发明专利3件。

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