摘要:
隨著化石能源消耗及電動汽車(EVs)、便攜式設(shè)備和電網(wǎng)存儲的快速發(fā)展,傳統(tǒng)鋰離子電池已經(jīng)不能滿足人們對電池儲能日益增長的需要,尋找下一代綠色儲能系統(tǒng)也變得十分迫切。近年來,高能量密度低成本的鋰硫電池(LSBs)技術(shù)得到了研究者們的極大關(guān)注。從理論上講,正極的面積容量直接由硫含量和面載量共同決定。因此,為了提高LSBs的面積容量和能量密度,開發(fā)具有高性能的高載硫鋰硫電池(HLSBs)勢在必行。然而,目前LSBs實際能達到的能量密度遠低于其理論能量密度。其主要原因可以歸結(jié)于多硫化物(LiPSs)的“穿梭效應(yīng)”、硫和二硫化鋰/硫化鋰(Li_(2)S_(2)/Li_(2)S)的導(dǎo)電性差以及鋰枝晶生長等問題。更重要的是,當載硫量增加到實際應(yīng)用水平時,上述問題變得更加嚴重。為解決這些問題,研究者們開發(fā)了不同策略來抑制LiPSs的“穿梭效應(yīng)”,如物理包覆、靜電排斥與極性吸附等。其中由于一些材料具有極性作用、表面缺陷等優(yōu)點,引起了研究者們的廣泛關(guān)注,因此研究者們相繼開發(fā)了一維、二維以及三維等不同結(jié)構(gòu)的催化材料來加快氧化還原反應(yīng),使得電池的循環(huán)壽命得以延長和庫倫效率得到提高。盡管在提升性能方面已經(jīng)取得很多進步,但這項技術(shù)的商業(yè)化前景取決于能否將其制成耐用且安全的電池系統(tǒng)。因此研究小組開發(fā)了新型功能性電解液添加劑、高性能隔膜和中間層、以及微/納米結(jié)構(gòu)的鋰負極或鋰復(fù)合負極穩(wěn)定金屬鋰,從而提高電池安全性。從商業(yè)化的角度來看,LSBs的面積容量和能量密度需分別達到5 mAh·cm^(-2)和500 Wh·kg^(-1),才能滿足商業(yè)化EVs的需求。因此在提高其性能的同時,也需不斷提高硫的負載量,以求達到更高的能量密度。本文通過對近年來HLSBs的研究成果進行整理和總結(jié),從三個方面綜述了高性能的HLSBs的基礎(chǔ)研究和發(fā)展策略,具體包括抑制LiPSs“穿梭效應(yīng)”、電催化策略和整體安全策略。這些研究策略在抑制LiPSs“穿梭效應(yīng)”、提高活性物質(zhì)的利用效率方面,尤其在延長電池循環(huán)壽命和提高安全性方面有顯著效果。最后,本文展望了高性能的HLSBs面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)與未來發(fā)展的機遇。