中國粉體網(wǎng)訊  近年來，鋰離子電池開始在電動汽車等動力電池領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，由于其能量密度不夠高，導(dǎo)致鋰離子電池電動汽車?yán)m(xù)航短、充電頻繁及購車成本高。由金屬鋰為負(fù)極和硫為正極組成的鋰硫電池的能量密度（2600Wh·kg-1）遠(yuǎn)高于目前廣泛使用的鋰離子電池。此外，硫正極材料具有儲量豐富、毒性低、價格便宜、環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)。因此，鋰硫電池被認(rèn)為是當(dāng)前最具研究前景的高能量密度二次電池之一。

鋰硫電池目前存在的主要問題

①體積膨脹；

②S和Li₂S₂/Li₂S絕緣性質(zhì)；

③鋰聚合物溶解導(dǎo)致的在電極和電解液之間的穿梭效應(yīng)；

④枝晶鋰的形成導(dǎo)致嚴(yán)重安全問題和電池內(nèi)部短路；

⑤揮發(fā)性氣體的演變造成的電化學(xué)性能下降。

這些問題使得鋰硫電池的倍率性能、循環(huán)壽命和庫倫效率等電化學(xué)性能離實際應(yīng)用仍有較大距離。目前關(guān)于硫正極材料的研究工作，主要集中于如何提升其導(dǎo)電性、抑制或消除由多硫化鋰的溶解引起的穿梭效應(yīng)以及在反復(fù)的循環(huán)過程中保持電極材料微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面。

針對以上問題，研究人員對Li-S電池進(jìn)行了多種改性嘗試，其中研究較多的是對硫正極進(jìn)行復(fù)合改性，下面做詳細(xì)介紹。

鋰硫電池正極材料改性方法

鋰硫電池正極改性通常是將導(dǎo)電材料在納米尺度下與硫復(fù)合，來減輕充放電過程中材料的粉化問題；并構(gòu)建高比表面積、高導(dǎo)電性、大量孔通道的材料，來負(fù)載更多的活性物質(zhì)。復(fù)合材料通常包括硫−碳復(fù)合、硫−金屬化合物復(fù)合以及硫−導(dǎo)電聚合物復(fù)合等。

01硫-碳復(fù)合材料

硫-碳復(fù)合材料是鋰硫電池復(fù)合正極材料中應(yīng)用最廣泛的一種，即硫與導(dǎo)電碳材料摻雜構(gòu)成的一種復(fù)合材料。一方面是因為碳材料具有良好的導(dǎo)電能力，這使得硫-碳復(fù)合材料的導(dǎo)電性能明顯優(yōu)于硫正極材料；另一方面，碳載體的多孔道可以有效緩解正極材料的體積效應(yīng)，同時對反應(yīng)中的多硫化物具有較強(qiáng)的吸附作用，進(jìn)而有效抑制多硫化鋰的遷移并緩解多硫化物的溶解。這里的碳材料包括一維、二維和三維的碳材料。

①一維碳材料

硫-碳復(fù)合材料中，應(yīng)用最多的是碳納米管或碳納米纖維。碳納米管尺寸小，比表面積大且界面效應(yīng)強(qiáng)，因此受到材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注。其管狀結(jié)構(gòu)可以自發(fā)組裝形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在提供儲硫空間的同時，大大縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，從而提高電池正極性能。

②二維碳材料

二維碳材料主要是指石墨烯材料，石墨烯由于其碳原子獨(dú)特的雜化結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能與力學(xué)性能，因此是用于鋰硫電池正極改性的理想材料。

③三維碳材料

三維碳材料主要是指多孔碳材料。多孔碳材料的比表面積極高、性質(zhì)穩(wěn)定且成本低廉，且孔結(jié)構(gòu)具有一定的可控性，例如微孔碳材料與多級多孔碳材料等。

02硫-金屬化合物復(fù)合材料

①金屬氧化物

金屬氧化物含有O²⁻，具有很強(qiáng)的極性。與傳統(tǒng)的碳材料相比，金屬氧化物具有大量的極性位點(diǎn)來吸附聚硫化物，同時因其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電子缺陷使其成為良好的導(dǎo)體。此外，由于氧化物的固有密度大，使其在Li-S電池中具有很高的體積能量密度。因此，一些氧化物（TiO₂、MnO₂、SiO₂等）被認(rèn)為是Li-S電池中很好的硫寄主材料。

S-TiO₂納米結(jié)構(gòu)合成圖

②金屬硫化物

近些年來，金屬硫化物（MoS₂、CoS₂、TiS₂等）被開發(fā)并應(yīng)用于Li-S電池中，主要有以下兩方面優(yōu)點(diǎn)：親硫性強(qiáng)；鋰化電位低，可有效避免Li-S電池中電化學(xué)窗口的重疊。

MoS₂@S的合成原理圖

③金屬氮化物

金屬氮化物由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)率、大的體積能量密度和很好的電催化活性成為了新一代有前景的硫寄主材料。但金屬氮化物通常存在電化學(xué)活性位點(diǎn)有限、容量較低、循環(huán)性差等缺點(diǎn)，要解決這些問題還需要更進(jìn)一步的研究。

03硫-導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料

導(dǎo)電聚合物是一種具有導(dǎo)電性的高分子聚合物。例如，聚吡咯與聚噻吩等聚合物材料均具有良好的導(dǎo)電性能。相比于需要進(jìn)行高溫碳化處理的碳材料，導(dǎo)電聚合物無需高溫處理，因此可以在低于硫熔點(diǎn)的溫度進(jìn)行復(fù)合正極的制備。此外，導(dǎo)電聚合物柔軟的力學(xué)性能，也可以有效緩解正極材料在電化學(xué)反應(yīng)充發(fā)電循環(huán)過程中的體積效應(yīng)。

另外，導(dǎo)電聚合物也可以與其他材料一起參與正極材料的改性。

綜上我們可以看出，對鋰硫電池正極材料的改性方法的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但是由于改性成本比較高，目前離規(guī)�；�生產(chǎn)與最終的工業(yè)化還有很遠(yuǎn)的距離。今后研究工作的重點(diǎn)將要集中在制備功能化、低成本、易于工業(yè)化生產(chǎn)的鋰硫電池正極材料。

參考資料：

陳子沖.鋰硫電池硫正極材料研究進(jìn)展

任逸倫.高比能鋰硫電池正極材料研究進(jìn)展

張子昂.鋰硫電池正極材料的改性方法研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

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