Science评锂硫电池：蓄势待发，一飞冲天！

纳米人 · 公众号 · · 2018-03-11 07:45

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令狐冲问风清扬：独孤九剑为何只有攻，没有守？

风清扬答曰：独孤前辈一生，但求一败。攻且无敌，何须守也？

锂硫电池，何尝不是！

常州、宁波、上海为代表的江浙沪地区，已经成为国内电动汽车的先行地。充电桩遍布高速路服务站、酒店停车场。国外特斯拉为代表电动汽车公司，也是风生水起。国际顶级期刊 Science 近期还特别为锂硫电池的重要进展进行深入解读。涉及到 1000 亿美元的新能源电动汽车市场，也已经成为汽车产业发展的大势所趋。

图 1. Li-S 电池示意图

Bruce, P. G., et al. Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nature Materials , 2012, 11, 19-29.

锂离子电池是目前电动汽车的标配，在电动汽车还未成为常态之时，新一代的锂硫电池已经开始崛起。锂硫电池理论能量密度高达 2600 Wh/kg ，是一般锂离子电池的 3-5 倍。锂离子电池正极材料往往使用一些金属氧化物，成本高且比重大，使得锂离子电池实际容量往往限制于 200 Wh/kg左右。相比之下，硫质量更轻，成本更低，每个硫原子可以抓住 2 个电子，使得正极容量可以达到 500 Wh/kg 甚至更多。据悉，英国一家初创公司已经研发出比锂离子电池能量密度高一倍的锂硫电池。

图片来源：OXis Energy

图 2. Li-S 电池的优势

锂硫电池目前的主要问题在于：长期使用寿命不够，难以稳定超过 100 圈充放电循环。这要归因于诸多原因：

1） Li-S 电池正极单位面积的载硫量大多低于 3.5 mg cm ^-2 ，正极中活性物质硫的百分含量普遍低于 70 wt% ，不能满足实际应用对 Li-S 电池能量密度的需求；

2） S 及其放电产物 Li ₂ S/Li ₂ S ₂ 导电性差；

3）中间产物聚合硫化物 LiPSs 的溶解流失；

4）完全锂化之后体积膨胀高达 80% 。

5）硫负载量与电极厚度不匹配，现有的高硫负载正极虽然具有较高的面积容量，但体积能量密度却相对较低。

……

图 3. 锂硫电池比锂离子电池各轻，更持久

Robert F. Service. Lithium-sulfur batteries poised for leap. Science 2018.

2017年，厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院方晓亮课题组和厦门大学化学化工学院郑南峰课题组受到相册的紧密堆积结构启发，合作开发了一种新型二维“ yolk-shell （蛋黄 - 壳）”结构：即将石墨烯包裹于中空多孔碳纳米片的内部腔体中（简称 G@HMCN ），来构建不使用金属集流体和粘结剂的自支撑型锂硫正极。

该复合膜的硫含量高达 73 wt% ，面积载硫量可达 5~10 mg cm ^-2 ，并可直接作为 Li-S 电池正极使用。面积载硫量为 10 mg cm ^-2 的 G@HMCN/S-G 的面积容量与体积容量分别可达 11.4 mAh cm ^-2 和 1329 mAh cm ^-3 。