鋰硫電池被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。近年來隨著移動電子設備、電動汽車和智能電網的飛速發(fā)展，高能量密度電池體系的需求不斷加大。鋰硫電池以單質硫或含硫化合物作為正極、金屬鋰作為負極，基于硫和鋰之間的多電子轉化反應實現(xiàn)能量儲存，其理論能量密度高達2600Whkg-1，是目前商業(yè)化鈷酸鋰/石墨電池理論能量密度的6倍以上（387Whkg-1）。同時，硫自然資源豐富、價格低廉且環(huán)境友好，有望進一步降低電池成本，符合電動汽車和大規(guī)模儲能領域對電池的要求。因此，鋰硫電池被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。由于硫的電導率低、充放電中間產物多硫化物易溶于電解液，充放電時體積變化較大，鋰硫電池正極通常面臨著活性物質利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、庫侖效率低等問題，嚴重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應用。提升硫正極導電性如何有效提升硫正極導電性，抑制多硫化物溶解并緩沖活性物質的體積變化，是發(fā)展高性能鋰硫電池并最終實現(xiàn)其實際應用的關鍵之一。中國科學院金屬研究所研究員李峰向《中國科學報》介紹說：由于碳材料具有導電性高、表面積大、孔結構豐富及結構多樣化等優(yōu)點，可為硫電極構建高效且穩(wěn)定的導電網絡，并對多硫化物起到良好的吸附和錨定作用，同時為硫的體積膨脹提供緩沖空間，從而有效提升活性物質利用率、電化學反應動力學和電極循環(huán)穩(wěn)定性。為此，他們以碳質材料為基礎，圍繞硫正極存在的關鍵問題，從碳材料導電/限域網絡構建、界面調控和一體化電極結構設計出發(fā)，對硫正極結構進行設計優(yōu)化，以提升硫的電化學活性，抑制多硫離子在電解液中的溶解與擴散，并緩沖硫在充放電過程中的體積變化，為高能量密度、長循環(huán)壽命鋰硫電池的設計提供科學依據。
一體化電極結構設計除了正極材料和電解液方面的進展外，近期的研究表明鋰硫電池結構設計和改進也可以有效地抑制或消除穿梭效應。由于電池結構主要由正極、負極、隔膜組成，通過采用在正負極之間添加夾層的設計及隔膜改造可以有效地抑制多硫化物的擴散和負極鋰枝晶的生長，從而提高活性物質利用率及增加電池循環(huán)壽命。采用高孔容石墨烯作為硫載體，部分氧化石墨烯作為間隔層，高導電石墨烯作為集流體，提出了全石墨烯基正極結構設計。高孔容石墨烯實現(xiàn)了電極材料80wt%的硫含量與電極5mgcm-2的硫載量。部分氧化石墨烯表面適量的含氧基團能有效吸附多硫化物，提升電極循環(huán)性能。高導電石墨烯集流體能提升電極活性物質與集流體的黏附力，同時其輕質的特點有助于電池整體能量密度的提升。通過三種石墨烯的協(xié)同作用，全石墨烯硫正極可實現(xiàn)高達90%的活性物質利用率與優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。我們將通過原位或外原位表征技術，觀察不同硫含量和硫載量電極在充放電過程中的結構變化，及其對金屬鋰負極的影響，探索高硫載量電極在長循環(huán)下容量衰減和庫侖效率降低的機制，并從電解液優(yōu)化、鋰負極保護等方面對電池整體進行改進，為進一步提升高硫載量電極的穩(wěn)定性和反應可逆性提供指導。李峰表示，未來他們將基于碳基一體化電極的設計思想，組裝鋰硫全電池并測試其電化學性能，探索實際應用。