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鋰硫電池中的納米金屬氧化物/硫化物

2017-03-07 12:25:09 作者：本網整理來源：材聲到分享至：

    鋰-硫電池具有較高的能量密度（2600 W h kg?1、2800 W h L?1），有望成為下一代的電化學儲能器件，用于動力電池等領域。不過，鋰-硫電池的應用還面臨一系列問題，主要包括正極的硫和硫化鋰的電導率差、充放電過程中的多硫化物溶于電解液并發生穿梭效應等。

    作者將含硫復合物正極材料分為三種。第一種是硫和納米碳材料的復合物，碳材料三維交聯結構是良好的導電載體，然而非極性的碳材料無法很好地吸附極性的多硫化物。第二種是在碳材料中引入極性位點，這類材料兼具良好的導電性和多硫化物吸附能力。第三種是使用極性的無極納米材料與硫復合，對多硫化物有強的吸附能力，然而這種材料的面容量密度和倍率性能有待進一步提高。

    在這篇文章中，作者綜述了納米金屬氧化物和硫化物在鋰-硫電池中的應用。金屬氧化物和硫化物能吸附多硫化物、抑制其溶解，從而延長鋰-硫電池的循環壽命。此外，這類材料還可能促進了多硫化鋰與二硫化鋰的可逆電化學轉化。作者指出，納米金屬氧化物和硫化物可被用于硫正極、隔膜/夾層、鋰金屬負極保護。文章在關注一般的鋰-硫電池的同時，還討論了鋰-多硫化鋰電池、硫化鋰正極電池等。

    氧化物硫化物種類眾多，再加上不同的結構和晶面更是不可勝數，它們都能用于鋰硫電池嗎？作者認為，對此需要一個整體的認識作為指導。這其中最重要的問題是金屬氧化物和硫化物與多硫化鋰的相互作用，對此需通過多種表征手段和 DFT 計算加深認識。作者介紹了幾種學術觀點：

    Lindar Nazar 組提出了一種金發原理（“Goldilocks”principal）：金屬氧化物依其相對Li/Li+ 的電勢分為三類，當氧化物電勢適中時，在硫正極發生電化學反應時生成硫代硫酸鹽，最適于用作鋰硫電池正極載體（圖11a）。其中 δ-MnO2 就屬于這種材料。

    張強組認為，如果氧化物和硫化物具有良好的導電性，那么吸附的多硫化物就能在吸附位點發生電化學反應（圖11b）。此外，一些極性材料如CoS2 還是多硫化物氧化還原的電催化劑。不過，目前尚缺乏Li2S/ Li2S2 反應的電催化劑。

    崔屹組考慮到大多數金屬氧化物導電性較差，因此吸附的多硫化物必須遷移到導電基底表面才能發生電化學反應（圖11c）。這類氧化物在具有強極性、有效吸附多硫化物的同時，還需要有比表面積大、表面多硫化物擴散性能好的特點。

    此外，材料的納米結構起到了特別重要的作用，特別是比表面積和孔結構高度依賴于納米結構。尺寸更小的氧化物和硫化物通常具有更好的容量。對納米金屬氧化物和硫化物與多硫化物之間的相互作用有待于進一步研究。