高负载、高能量密度锂硫电池最新综述

高效的储能系统是当代交通、能源工业、消费电子产业的核心支柱。在诸多储能系统中,锂离子电池以质量轻、容量高和无记忆效应等优点,经过近三十年发展,逐渐成为当今储能系统的核心。然而基于“摇椅效应”的锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限,难以满足当今社会对于储能系统越来越高的要求。寻找新的高容量的电极材料,获得高比能储能系统是当今能源存储和利用的关键。锂硫电池使用高容量的正极材料硫(1672 mA h g−1)和负极材料金属锂(3860 mA h g−1),通过它们之间的电化学转化反应,体现出高达2600 W h kg−1的理论比能量,远超传统锂离子电池,且正极材料硫储量丰富、来源广泛、价格便宜、环境友好,因而锂硫电池具有广泛的应用前景。经过十多年的科研和产业探索,锂硫电池的容量、效率和稳定性的提升方面均取得长足的进步,盖因新材料和新化学的不断开拓发展。然而大部分的进展主要获得于实验室级别的探索,硫的单位面积载量往往低于2 mg cm−2,极大地限制了实用器件比能量向> 500 W h kg−1的目标突破。提高硫的单位面积载量,不仅加剧了正极一侧硫和硫化锂电子/离子绝缘性、多硫化物流失、电极形态和结构重组等问题,而且对应更高的单位面积电流密度,使得负极金属锂一侧的问题如固态电解质界面层失效、枝晶生长、电化学刻蚀等尤为突出。因此开发高负载的锂硫电池既具有迫切的现实需求,又面临着严峻的科学和技术挑战。

AENM-zhangqiang

经过近五年在锂硫电池领域高负载硫正极(Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 6105–6112; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12990–12995; Nano Lett. 2016, 16, 519–527; Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6351–6358; Adv. Mater. 2017, 29, 1606802; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8458–8466)、高效金属锂负极(Small 2014, 10, 4257–4263; ACS Nano 2015, 9, 6373–6382; Adv. Mater. 2016, 28, 2155–2162; Adv. Mater. 2016, 28, 2888–2895; Energy Storage Mater. 2016, 3, 77–84; Chem 2017, 2, 258–270)和多功能隔膜(Energy Environ. Sci. 2014, 7, 347–353; ACS Nano 2015, 9, 3002–3011; Adv. Mater. 2016, 28, 9551–9558; Adv. Sci. 2016, 3, 1500268; Small 2016, 12, 381–389; Energy Storage Mater. 2017, 7, 56–63)等方面的探索,清华大学张强课题组近日总结了近几年高负载、高能量密度锂硫电池的研究进展,提出了发展高负载、高能量密度锂硫电池的多尺度、多层次设计准则。从硫在有机电解质中的基础电化学出发,高负载硫正极的设计逐级划分为微观含硫分子–正极载体界面工程、介观颗粒设计和宏观电极结构控制;针对高单位面积电流密度条件下金属锂的保护和枝晶抑制,高效锂负极的设计依赖于骨架结构化和固态电解质界面层调控;针对联系正负极的重要电池组件隔膜进行界面修饰,改善高负载、高电流密度工况下的跨膜输运和界面反应行为。文章总结了高负载锂硫电池在正极、负极和隔膜的各个尺度下的研究进展,也进一步展望了高负载、高能量密度锂硫电池在基础研究、材料设计和器件集成方面存在的机遇和挑战,指出金属锂负极正逐渐成为发展锂硫电池的主要瓶颈,而硫正极制造的规模化、连续化、可靠性和成本正在成为主要的关注点。同时,作者还指出降低电解液用量的重要性,并提出了相关见解和可行的思路。相关工作发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201700260)上,本文第一作者为清华大学博士生彭翃杰。