鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，是未來各國布局的重點(diǎn)研究方向之一。但隨著研究的不斷深入，鋰硫電池也面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前存在的主要問題是鋰硫電池的體積能量密度較低，導(dǎo)致其在很多重要的市場應(yīng)用中失去競爭力，同時高電解液用量也成為了其重量能量密度提高的瓶頸。主要原因在于硫是離子和電子絕緣體，因此正極中的硫需要大量非活性物質(zhì)來發(fā)揮容量。一方面，需要加入大量高比表面積的碳（通常>30%）來保證電極良好的電子電導(dǎo)，導(dǎo)致電極孔隙率通常>70%(商業(yè)化鋰離子電池正極：<40%)，這就使鋰硫電池的體積能量密度大打折扣。另一方面，高氣孔率需要大量電解液浸潤和溶解中間產(chǎn)物來保證電極的離子電導(dǎo)（電解液活性物質(zhì)比:鋰硫電池通常>3μL/mg,商業(yè)化鋰離子電池通常<0.5μL/mg），從而大大限制了鋰硫電池的重量能量密度。因此，當(dāng)前制約鋰硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負(fù)載條件下（10mg/cm2）,實(shí)現(xiàn)低電解液用量，高電極密度及低非活性物質(zhì)含量。

中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組索鎏敏(LiuminSuo)副研究員與美國麻省理工學(xué)院李巨（JuLi）教授和薛偉江(WeijiangXue)博士合作針對目前鋰硫電池存在的共性問題——電池器件級別能量密度不高的問題，創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極，使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10mg/cm2)，含碳量降低到小于10wt%,電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2μLmg-1,電極孔隙率低于55%。采用此新型混合電極的安時級軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升，可以同時實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度（581Wh/L）和重量能量密度（366Wh/kg），為未來開發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案（圖1）。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然·能源》上（NatureEnergy，2019,DOI:10.1038/s41560-019-0351-0，IF=46.86），文章題目為“Intercalation-conversionhybridcathodesenablingLi–Sfull-cellarchitectureswithjointlysuperiorgravimetricandvolumetricenergydensities”。

相關(guān)工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃（2018YFB0104400）、國家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。

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圖1.高體積和重量能量密度的嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極的設(shè)計思路（嵌入式電極材料：Mo6S8,轉(zhuǎn)化型電極材料：S8）。

圖2.嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極HMSC（活性物質(zhì)Mo6S8+S8含量85%，導(dǎo)電碳含量10%)與C-S8復(fù)合電極對比示意圖和真實(shí)電極SEM圖片。注：負(fù)載量12.3mg/cm2的HMSC電極厚度為121μm遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)載量只有6.2mg/cm2的C-S復(fù)合電極，因此使得該類電極材料在電極級別上重量和體積能量密度占據(jù)絕對優(yōu)勢。

圖3.嵌鋰LixMo6S8與中間產(chǎn)物多硫離子Li2S4相互作用機(jī)理研究.(a)循環(huán)伏安曲線.(b)多硫離子吸附實(shí)驗(yàn).(c)原位XRD表征.(d)DFT多硫離子吸附能計算.(e)Mo6S8嵌鋰前后對多硫離子吸附能的變化.注：實(shí)驗(yàn)和理論計算表明嵌鋰后的LixMo6S8較未嵌鋰的Mo6S8在對多硫離子的吸附性能上有明顯提高。

圖4.Mo6S8在HMSC電極中的作用機(jī)理.注：步驟I:在硫還原之前預(yù)嵌鋰(>2.4V);步驟II:嵌鋰后的LixMo6S8具有雙功能:I)吸附多硫離子從而抑制多硫離子穿梭效應(yīng)和II)提供電子和離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從而起到替代碳的作用。

圖5.HMSC型扣式電池性能(HMSC:6.2mgcm-2S8+6.1mgcm-2Mo6S8,電解液活性物質(zhì)比：2.4μLmg-1).(a)充放電曲線(b)倍率性能(c)循環(huán)壽命和庫倫效率。

圖6.HMSC型鋰硫全電池性能.(a)鋰硫扣式電池(6.9mgcm-2S+6.8mgcm-2Mo6S8，電解液活性物質(zhì)比~1.5μLmg-1)；(b)鋰硫軟包全電池（電解液活性物質(zhì)比~1.2μLmg-1，~2倍金屬鋰過量）(c)鋰硫電池全電池能量密度對比圖。注：圖c為扣式電池實(shí)驗(yàn)參數(shù)推算的能量密度和安時級軟包全電池的真實(shí)能量密度。