Small Methods: 用于改善锂硫电池中硫正极的固体添加剂的新进展

由于较高的理论能量密度和较低的正极材料成本,锂硫电池成为锂离子电池最有希望的替代品之一。然而,循环过程中的可溶性多硫化锂的穿梭效应导致正极活性材料的不可逆损失和负极的腐蚀,致使锂硫电池的实际性能远远低于其理论潜力。增加多硫化物在正极中的停留时间可以有效缓解穿梭效应,通过正极中的各种固体添加剂的设计与开发可以实现这一过程。固体添加剂在正极中的引入显著抑制了多硫化物的穿梭,并且在不同的研究中被描述为吸附剂、介体和催化剂。然而,不同添加剂在何种应用条件下对多电子硫电化学反应具有更高的优势尚未有明确的结论。

近日,新加坡国立大学Lee Jim Young教授带领的团队基于近期工作和已有文献报道,在Small Methods上发表了题为“Solid Additives for Improving the Performance of Sulfur Cathodes in Lithium–Sulfur Batteries—Adsorbents, Mediators, and Catalysts”的综述论文(DOI:10.1002/smtd.201900864),回顾了近年来锂硫电池相关研究中的多硫化物吸附剂、介体和催化剂的研究时间表,分别分析了三种固体添加剂在锂硫电池中的有效性和局限性,并对当今研究体系中的一些观点进行了纠正,主要包括:1)研究人员应当对所引入的固体添加剂进行深入研究以揭示其详细功能,鉴定其是否具有吸附剂、介体或催化剂的功能;2)理想的催化剂对于多硫化物具有适中的吸附和解吸能力,当前大量的催化剂研究都基于其对多硫化锂过强的结合能而设定;3)针对硫正极中的多步氧化还原过程应该设计多个催化步骤,当前的研究集中在单一催化剂的应用,其并不能克服16电子的硫电化学反应中涉及的所有能垒;4)由于持续的催化反应需要高电子/离子传输能力,相较于将催化剂分散在隔膜/夹层或作为单独的催化层而言,将其均匀分散在正极中的研究工作应该被给予更多的关注。

总之,尽管在锂硫电池中固体添加剂的使用已经取得了显著的进步,但研究者在将其归类为吸附剂、介体或催化剂方面存在很多随意性。只有通过更高端的表征技术和/或理论分析,对其与多硫化物在分子水平上的相互作用有了更深入的了解之后,才能揭示出它们的确切功能。尽管如此,根据目前的研究调查,锂硫电池的最大性能改善是通过催化剂类别的添加剂实现的。鉴于硫电化学反应中大量的电荷转移步骤,多催化剂体系可能比单催化剂体系更有效。但是,多催化剂体系的开发需要比现在更全面的对锂硫电化学机理的理解。先进的原位表征技术,更复杂的电化学方法和计算化学工具对于锂硫电化学及其催化机理的理解至关重要。