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Small Methods:锂硫电池载体材料综述——有效抑制“穿梭效应”的策略

随着风能、太阳能等可再生能源技术的不断发展,储能技术作为促进可再生能源应用与普及的关键环节之一,已成为万众瞩目的焦点。其中,高比能量、长循环寿命和低成本的新型储能电池一直是重要的研究发展方向。锂硫电池作为新一代储能技术,其理论能量密度高达2600 Wh/kg,远远高于目前商业化的锂离子电池。除此之外,由于锂硫电池具有的超高能量密度以及成本低廉等优势,可满足大部分电动设备对储能装置的要求。


Small Methods:锂硫电池载体材料综述——有效抑制“穿梭效应”的策略


但是,在实际运用中,锂硫电池依然存在许多问题:1、活性物质硫以及其放电产物硫化锂的导电性差;2、充放电中间产物的多硫化物(Li2Sn,2≤n≤8)可溶于醚类电解液中,虽然有助于提高硫的利用率,但是活性物质会脱离电极,形成不可逆转的“死硫”;3、多硫化锂的“穿梭效应”将进一步导致活性物质的流失以及对锂负极的“腐蚀”;4、硫在充放电过程中的体积变化较大,可达80%。所以,这些问题阻碍着锂硫电池的进一步发展,尤其是“穿梭效应”造成的锂硫电池容量的快速不可逆衰减尤为致命。近些年,经过不断深入的理论研究与实践探索,研究者们提出了多种方案抑制锂硫电池的“穿梭效应” ,尤其是在设计与制备新型载硫材料领域,已使锂硫电池在容量、效率和稳定性上都取得了长足的进步。

近日,北京大学工学院侯仰龙教授课题组在Small Methods上发表了基于锂硫电池载体材料,抑制多硫化锂“穿梭效应”的综述文章,系统地讨论了近几年关于锂硫电池载体材料的设计思路以及对锂硫电池性能的影响。文章首先总结了锂硫电池“穿梭效应”的形成机理以及常用的表征技术。随后,总结与分析了多种载体材料的优势与劣势,以及电极宏观结构设计理念。一般而言,研究者们提出可以运用材料本身的孔道与内部空腔结限制多硫化物的溶出,或通过更强的化学键合力对中间产物多硫化物进行固定。因此,围绕此抑制“穿梭效应”的策略,文章重点分析了碳材料、聚合物、金属氧化物、金属硫化物、金属碳化物以及电极材料结构的作用机理与应用性能。最后,作者认为现阶段的成果证实了载体材料的选择与设计是提高锂硫电池性能的关键要素,而通过结合多种策略设计载体材料,可有效提高锂硫电池比容量、循环稳定性、库伦效率及倍率性能。此外,作者认为,具有高负载、高能量密度的锂硫电池,既是其未来商业化发展的方向,同时也是载体材料发展的更大挑战。



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