鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，是未來(lái)各國(guó)布局的重點(diǎn)研究方向之一。但隨著研究的不斷深入，鋰硫電池也面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前存在的主要問(wèn)題是鋰硫電池的體積能量密度較低，導(dǎo)致其在很多重要的市場(chǎng)應(yīng)用中失去競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)高電解液用量也成為其重量能量密度提高的瓶頸。

主要原因在于硫是離子和電子絕緣體，因此正極中的硫需要大量非活性物質(zhì)來(lái)發(fā)揮容量。一方面，需要加入大量高比表面積的碳（通常>30%）來(lái)保證電極良好的電子電導(dǎo)，導(dǎo)致電極孔隙率通常>70%(商業(yè)化鋰離子電池正極：<40%)，這就使鋰硫電池的體積能量密度大打折扣。另一方面，高氣孔率需要大量電解液浸潤(rùn)和溶解中間產(chǎn)物來(lái)保證電極的離子電導(dǎo)（電解液活性物質(zhì)比:鋰硫電池通常>3uL/mg，商業(yè)化鋰離子電池通常<0.5uL/mg），從而大大限制了鋰硫電池的重量能量密度。因此，當(dāng)前制約鋰硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負(fù)載條件下（10mg/cm2），實(shí)現(xiàn)低電解液用量、高電極密度及低非活性物質(zhì)含量。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組副研究員索鎏敏(LiuminSuo)與美國(guó)麻省理工學(xué)院教授李巨（JuLi）和博士薛偉江(WeijiangXue)合作針對(duì)目前鋰硫電池存在的共性問(wèn)題——電池器件級(jí)別能量密度不高的問(wèn)題，創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極，使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10mg/cm2)，含碳量降低到小于10wt%，電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2μLmg-1，電極孔隙率低于55%。采用此新型混合電極的安時(shí)級(jí)軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度（581Wh/L）和重量能量密度（366Wh/kg），為未來(lái)開(kāi)發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案（圖1）。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上（NatureEnergy，2019,DOI:10.1038/s41560-019-0351-0），文章題目為Intercalation-conversionhybridcathodesenablingLi–Sfull-cellarchitectureswithjointlysuperiorgravimetricandvolumetricenergydensities。

相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0104400）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。