Nature子刊：Li-S电池实现近100%的S利用率！

S的比容量高达1,675 mA h g ^–1 ，理论能量密度高达2,600 W hkg ^–1 ，而且储量丰富。相比锂离子电池，Li-S电池具有更高的能量密度和更低的成本，在新能源汽车、电网等大型储能设施领域具有重要需求，是目前最具吸引力的下一代新能源系统之一。

Li-S电池迈向商业化存在的关键问题在于：S的导电性低，且聚合硫化物等中间体容易溶解于电解质造成流失，并会产生穿梭效应，从而导致S的利用率不高，而且库伦效率较低，容量衰退很快。

数年以来，研究人员大多采用包裹策略来解决这一问题。通过具有高比表面积、良好导电性的石墨烯、碳纳米管、中空多孔碳球等碳质材料来包裹S。以此来确保良好的导电性，并减少活性S物种的溶解流失和穿梭效应。

图1. 包裹策略实现高可逆容量Li-S电池

Xiulei Ji, Kyu Tae Lee and Linda F.Nazar. A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode forlithium–sulphur batteries. Nature Mater. 2009, 8, 500–506.

但是，包裹策略或多或少存在以下问题之一：

1）活性S物种的流失仍然不可避免，S的利用率一般在80%以下，这就导致实际的能量密度远低于理论能量密度。

2）碳物种的引入降低了S的整体含量，从而限制了电池的比能量。

3）常规包裹策略中，往往通过熔融扩散法将S物种沉积到碳物种内部。这样会在碳表面形成一种连续的S/Li ₂ S绝缘薄膜，影响电荷传递，使电池容量逐渐减低。

图2. 非包裹策略和包裹策略Li-S电池对比

有鉴于此，美国西北太平洋国家实验室的Jun Liu和Yuyan Shao等人报道了一种基于低比表面碳纤维（17.2 m ² /g）上S物种成核生长策略的Li-S电池，实现了几乎100%的S利用率，99% 的库伦效率和1835Whkg ^{− 1} 以及2317Whl ^{− 1} 的高能量密度。

图3. S正极电化学性能

研究人员通过电化学法在合适的溶剂（DOL:DME）中，控制S/Li ² S物种在低比表面碳纤维均匀生长成微米级花状结构，而不是薄膜，实现了几乎100%的利用率和高能量密度。

图4. 非包裹策略和包裹策略Li-S电池放电产物对比

这项工作的关键在于以下两点：

1 ）控制碳载体的表面性能

O ₂ 等离子体处理，会增加成核活性位点，还形成连续而得Li ₂ S绝缘膜，而不是花状结构生长。因此，本方法不适合采用常规的O ₂ 等离子体处理。

2 ）控制电解液的供体数

电解液供体数目越少，Li ₂ S颗粒容易成核，导致形成Li2S绝缘膜；电解液供体数目数目越多，Li ₂ S成核位点太少，颗粒尺寸太小。因此，电解液供体数目适中（20左右）最有利于Li ₂ S颗粒的形貌控制