北理工Angew: 贫电解液情况下实用型锂硫电池的挑战与机遇

【引言】

随着可持续能源供应的不断增长需求，需要开发高性能和低成本的电化学能量存储装置。尽管目前锂离子电池已经被大规模商业化，然而电池的实际性能已逐渐接近于理论极限，成为能源相关产业进一步发展的瓶颈。为进一步提高电池的能量密度，近年来已经做出了许多努力来开发新型的能量储存系统。其中，基于电化学氧化还原转换机制的锂硫(Li-S)电池由于其超高理论能量密度受到了广泛的关注。然而实际Li-S电池的能量密度和循环稳定性受到以下几个问题的严重制约：1)硫及其放电产物电子绝缘导致动力学缓慢和硫利用率低；2)在充放电过程中硫的体积膨胀导致电极结构坍塌和电池失效；3)充放电过程中多硫化锂的“穿梭效应”导致一系列副反应和腐蚀锂金属负极；4)负极锂枝晶的不可控生长会导致安全问题。已经开发许多策略来解决上述问题并且取得了一些突破性的进展。然而，值得注意的是，这些结果通常在理想条件下进行评估，尤其是电解液通常是过量的(E/S＞10μL mg_s^-1)。已经证明了高E/S比显着增加Li-S电池的放电容量和循环稳定性。然而，过量的电解液会大大降低了Li-S电池的高能量密度优势。此外，过量的电解液会带来其他问题，例如过充和产生气体。

【成果简介】

近日，北京理工大学黄佳琪教授（通讯作者）团队在Angewandte Chemie-International Edition上发表题为“Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions”的综述文章。本综述旨在对锂硫电池实际应用中实现贫电解液的潜在途径进行总结性评估。首先，讨论了Li-S电化学转换机制在贫电解液条件下的原理，结构和挑战。然后，系统地分析了E/S比对能量密度和电池成本的影响。此外，讨论了目前关于正极成分和结构设计的策略，通过非均相电催化或均相氧化还原介导的活性材料调节，以及基于硫正极通过溶解-沉积转化或固-固转变的电化学反应的电解质工程。 最后，提出了关于贫电解液Li-S电池的观点，以便对锂硫电池的基础和工程研究的未来方向提供指导性意见。

【图文导读】

图一贫电解质Li-S电池代表性工作的时间线图

图二实用型Li-S电池在贫电解质条件下的设计原理示意图

图三基于固-液-固相转化和固-固多相转化机理的Li-S电池的示意图

图四Li-S封装的预计能量密度估计。

（a）不同的硫面负载量的能量密度与E/S比的函数。

（b）不同组分的质量各种E/S比的关系。

（c）根据硫面负载量的E/S比计算的实际Li-S封装的成本。

图五用于贫电解质Li-S电池的独立式导电碳主体的设计

（a）大面积HCFFS的光学照片以及其3D XRM图像。

（b）在官能化纤维网络上的多硫化物吸附示意图。

（c）具有覆盖微孔的石墨烯/棉-碳的合成图示。

（d）独立式S70-NCNS / MWCNT结构的表面和横截面的SEM图像。

图六贫电解质Li-S电池硫正极的设计

（a）具有非空心材料的低孔隙率电极（左）和具有微米尺寸中空材料的高孔隙电极（右）的示意图。

（b）2D NPC电极的横截面SEM图像，其硫负载量为8mg/cm²。

（c）具有致密插层转换混合正极和相应的横截面SEM图像的Li-S电池的图示。

图七贫电解质硫正极的电催化设计。

（a）Li₂S电沉积的电流密度分布。

（b）在贫电解质条件下由MoP催化的硫阴极的可反应途径的示意图。

（c）立方Ni₃FeN的原子结构模型和Ni3Fe_1-δN相的多硫化物蚀刻过程的示意图。

图八低E/S比固液转换Li-S电池的电解液设计。

（a）常规醚基电解质和含DMDS电解质中表面物质的放电机理的示意图。

（b）在二钴茂的不存在（蓝色箭头）和存在（红色箭头）的情况下Li₂S的生长途径的示意图。

（c）具有基于TMU的电解质的Li-S电池的溶剂化介导的自由基途径的示意图。

图九基于固-固转化的硫正极结构设计

图十用于保护多硫化物的溶剂化的液态电解质设计

（a）Li-S电池中多硫化物的无溶剂概念。

（b）在碳酸盐/醚共溶剂电解液中硫表面上原位形成的SEI膜的示意图。

【小结】

总之，贫电解液Li-S电池的进步需要采用整体方法来实现多个方向的进步。近年来，对Li-S电化学机制的基本认识以及能量密度和循环寿命的性能改进已经取得了巨大的进展。然而，高能量密度和低成本的目标应该在实用情况下对锂硫电池的性能进行系统的评价。对于实用的Li-S电池来说，贫电解液是非常必要的，并且仍然很遥远。需要更多的基础研究和技术开发，特别是理解在低E/S条件下硫物种的电化学行为，以建立贫电解质Li-S系统的新策略。从基础研究到实际应用，开发电化学系统，在化学，材料科学和储能领域都存在挑战和机遇。

文献链接：“Challenges and Opportunities towards Practical Lithium–Sulfur Batteries under Lean Electrolyte Conditions”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201909339)

本文由微观世界编译供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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