鋰硫電池被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領(lǐng)域的前沿研究熱點。近年來隨著移動電子設(shè)備、電動汽車和智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，高能量密度電池體系的需求不斷加大。鋰硫電池以單質(zhì)硫或含硫化合物作為正極、金屬鋰作為負(fù)極，基于硫和鋰之間的多電子轉(zhuǎn)化反應(yīng)實現(xiàn)能量儲存，其理論能量密度高達(dá)2600Whkg-1，是目前商業(yè)化鈷酸鋰/石墨電池理論能量密度的6倍以上（387Whkg-1）。同時，硫自然資源豐富、價格低廉且環(huán)境友好，有望進一步降低電池成本，符合電動汽車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域?qū)﹄姵氐囊?。因此，鋰硫電池被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領(lǐng)域的前沿研究熱點。由于硫的電導(dǎo)率低、充放電中間產(chǎn)物多硫化物易溶于電解液，充放電時體積變化較大，鋰硫電池正極通常面臨著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、庫侖效率低等問題，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。提升硫正極導(dǎo)電性如何有效提升硫正極導(dǎo)電性，抑制多硫化物溶解并緩沖活性物質(zhì)的體積變化，是發(fā)展高性能鋰硫電池并最終實現(xiàn)其實際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。中國科學(xué)院金屬研究所研究員李峰向《中國科學(xué)報》介紹說：由于碳材料具有導(dǎo)電性高、表面積大、孔結(jié)構(gòu)豐富及結(jié)構(gòu)多樣化等優(yōu)點，可為硫電極構(gòu)建高效且穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并對多硫化物起到良好的吸附和錨定作用，同時為硫的體積膨脹提供緩沖空間，從而有效提升活性物質(zhì)利用率、電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和電極循環(huán)穩(wěn)定性。為此，他們以碳質(zhì)材料為基礎(chǔ)，圍繞硫正極存在的關(guān)鍵問題，從碳材料導(dǎo)電/限域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、界面調(diào)控和一體化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，對硫正極結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，以提升硫的電化學(xué)活性，抑制多硫離子在電解液中的溶解與擴散，并緩沖硫在充放電過程中的體積變化，為高能量密度、長循環(huán)壽命鋰硫電池的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。
一體化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計除了正極材料和電解液方面的進展外，近期的研究表明鋰硫電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進也可以有效地抑制或消除穿梭效應(yīng)。由于電池結(jié)構(gòu)主要由正極、負(fù)極、隔膜組成，通過采用在正負(fù)極之間添加夾層的設(shè)計及隔膜改造可以有效地抑制多硫化物的擴散和負(fù)極鋰枝晶的生長，從而提高活性物質(zhì)利用率及增加電池循環(huán)壽命。采用高孔容石墨烯作為硫載體，部分氧化石墨烯作為間隔層，高導(dǎo)電石墨烯作為集流體，提出了全石墨烯基正極結(jié)構(gòu)設(shè)計。高孔容石墨烯實現(xiàn)了電極材料80wt%的硫含量與電極5mgcm-2的硫載量。部分氧化石墨烯表面適量的含氧基團能有效吸附多硫化物，提升電極循環(huán)性能。高導(dǎo)電石墨烯集流體能提升電極活性物質(zhì)與集流體的黏附力，同時其輕質(zhì)的特點有助于電池整體能量密度的提升。通過三種石墨烯的協(xié)同作用，全石墨烯硫正極可實現(xiàn)高達(dá)90%的活性物質(zhì)利用率與優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。我們將通過原位或外原位表征技術(shù)，觀察不同硫含量和硫載量電極在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化，及其對金屬鋰負(fù)極的影響，探索高硫載量電極在長循環(huán)下容量衰減和庫侖效率降低的機制，并從電解液優(yōu)化、鋰負(fù)極保護等方面對電池整體進行改進，為進一步提升高硫載量電極的穩(wěn)定性和反應(yīng)可逆性提供指導(dǎo)。李峰表示，未來他們將基于碳基一體化電極的設(shè)計思想，組裝鋰硫全電池并測試其電化學(xué)性能，探索實際應(yīng)用。