北理工黄佳琦&袁洪Adv. Sci.综述:实现500 Wh kg-1锂硫电池的负极选择

【引言】

大规模应用可再生能源替代化石燃料是应对气候变化和环境污染、实现可持续发展和全球碳中和的核心要求。其中以可充电电池为代表的电化学储能装置，在高效储能和转换方面表现出巨大潜力。特别是锂离子电池（LIBs）由于其能量效率高、循环寿命长、安全可靠、能量密度可达300 Wh kg^-1等优点，在电动汽车、便携式电子设备和智能电网中得到了广泛的应用。然而，由于插层电极材料的容量限制，LIBs难以实现高于400 Wh kg^-1的能量密度。据此，锂硫（Li-S）电池的理论能量密度为2600 Wh kg^-1，被认为是实现高能量密度最有前途的下一代电池技术之一。自1960年代首次尝试以来，已经开展了大量研究，重点是提高正极比容量、延长循环寿命以及避免循环过程中多硫化物穿梭。然而，考虑到实现500 Wh kg^-1Li-S电池的目标，电解液用量和锂负极量必须控制在有限的水平。其中，为了解决锂金属负极在体积变化与电解质和多硫化物之间高反应性的问题，采用锂基合金作为替代负极材料提供了一个有前景的方案。

近日，北京理工大学黄佳琦教授和袁洪特别研究员（共同通讯作者）系统地评估了使用锂金属或锂基合金构建实际能量密度为500 Wh kg^-1的锂硫电池的潜力和可行性，考虑了目标能量密度为500 Wh kg^-1所需的电解液用量，提出了一种逐步过滤负极材料的三阶定量分析方法。在第一级，只考虑活性材料的重量，电极比容量设为理论值；在第二级，电解液被视为关键标准，电极比容量设置为实验报告值。在第三级，能量密度是基于Li-S软包电池的所有组件（包括集流体和封装过程）计算的。按照上述方式，作者考虑了十种负极材料，实验表明只有Li-Mg合金具有除锂金属外实现500 Wh kg^-1Li-S软包电池的可能性。因此，讨论了最近对Li-Mg和其他锂基合金的研究，并提供了一个重要的发展前景。这项工作有望为实现高能量密度和长循环 Li-S电池提供一条有前途的途径，并鼓励尝试对锂金属以外的替代锂基合金负极进行尝试。相关研究成果以“Anode Material Options Toward 500 Wh kg^-1Lithium-Sulfur Batteries”为题发表在Adv. Sci.上。

【图文导读】

图一、不同负极材料的锂硫电池在第一级评价时的理论能量密度

图二、评估达到500 Wh kg^-1的能量密度目标所需的电解液量

（a）电极结构示意图；

（b，c）E/S比与能量密度之间的关系；

图三、实用化Li-S软包电池能量密度的评估

（a-c）Li、Li₉Mg和Li_4.4Si的E/S比、面积硫载量和能量密度之间的关系；

（d）对比不同负极材料为达到500 Wh kg^-1的能量密度目标。

图四、Li-S电池中Li-Mg合金负极概括

（a）计算的二元Li-Mg相图；

（b）Li₇Mg₃在非水系电解液中的循环伏安图以说明其稳定性；

（c）含Li-Mg合金负极的Li-S电池的充放电曲线；

（d）Li-S电池中Li和Li-Mg负极的循环性能对比；

（e，f）锂金属负极和Li-S合金负极在0.5 mA cm^-2电流下沉积24小时后的SEM图像。

图五、锂金属负极合金保护涂层研究进展

（a）使用离子液体在锂金属负极上构建铝锂合金保护层的示意图；

（b）带有铝锂合金保护负极的Li-S电池在4 C下的循环性能；

（c）不同温度下铝保护层锂基负极的EIS图谱；

（d）Sn包覆锂负极的Li-S电池在0.5 C下的循环性能。

【小结】

综上所述，根据本文提出的三级评价方式，最终确定Li-Mg合金负极作为一种很有前途的锂金属负极材料，有望实现500 Wh kg^-1Li-S电池。研究表明，虽然仅使用其他锂基负极材料并不能实现高能量密度，但它们与锂金属一起制备的复合负极可以解决锂金属负极的挑战。利用合金负极材料替代锂负极的锂金属电池已经有了一些重要的研究，相信以后锂基负极的发展将对实现长循环500 Wh kg^-1Li-S电池能做出更多重大的贡献。

文献链接：“Anode Material Options Toward 500 Wh kg^-1Lithium-Sulfur Batteries”(Adv. Sci.，2021，10.1002/advs.202103910)

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