锂硫电池中的纳米金属氧化物/硫化物

2017-03-07 12:25:09 作者：本网整理来源：材声到分享至：

    锂-硫电池具有较高的能量密度（2600 W h kg?1、2800 W h L?1），有望成为下一代的电化学储能器件，用于动力电池等领域。不过，锂-硫电池的应用还面临一系列问题，主要包括正极的硫和硫化锂的电导率差、充放电过程中的多硫化物溶于电解液并发生穿梭效应等。

    作者将含硫复合物正极材料分为三种。第一种是硫和纳米碳材料的复合物，碳材料三维交联结构是良好的导电载体，然而非极性的碳材料无法很好地吸附极性的多硫化物。第二种是在碳材料中引入极性位点，这类材料兼具良好的导电性和多硫化物吸附能力。第三种是使用极性的无极纳米材料与硫复合，对多硫化物有强的吸附能力，然而这种材料的面容量密度和倍率性能有待进一步提高。

    在这篇文章中，作者综述了纳米金属氧化物和硫化物在锂-硫电池中的应用。金属氧化物和硫化物能吸附多硫化物、抑制其溶解，从而延长锂-硫电池的循环寿命。此外，这类材料还可能促进了多硫化锂与二硫化锂的可逆电化学转化。作者指出，纳米金属氧化物和硫化物可被用于硫正极、隔膜/夹层、锂金属负极保护。文章在关注一般的锂-硫电池的同时，还讨论了锂-多硫化锂电池、硫化锂正极电池等。

    氧化物硫化物种类众多，再加上不同的结构和晶面更是不可胜数，它们都能用于锂硫电池吗？作者认为，对此需要一个整体的认识作为指导。这其中最重要的问题是金属氧化物和硫化物与多硫化锂的相互作用，对此需通过多种表征手段和 DFT 计算加深认识。作者介绍了几种学术观点：

    Lindar Nazar 组提出了一种金发原理（“Goldilocks”principal）：金属氧化物依其相对Li/Li+ 的电势分为三类，当氧化物电势适中时，在硫正极发生电化学反应时生成硫代硫酸盐，最适于用作锂硫电池正极载体（图11a）。其中 δ-MnO2 就属于这种材料。

    张强组认为，如果氧化物和硫化物具有良好的导电性，那么吸附的多硫化物就能在吸附位点发生电化学反应（图11b）。此外，一些极性材料如CoS2 还是多硫化物氧化还原的电催化剂。不过，目前尚缺乏Li2S/ Li2S2 反应的电催化剂。

    崔屹组考虑到大多数金属氧化物导电性较差，因此吸附的多硫化物必须迁移到导电基底表面才能发生电化学反应（图11c）。这类氧化物在具有强极性、有效吸附多硫化物的同时，还需要有比表面积大、表面多硫化物扩散性能好的特点。

    此外，材料的纳米结构起到了特别重要的作用，特别是比表面积和孔结构高度依赖于纳米结构。尺寸更小的氧化物和硫化物通常具有更好的容量。对纳米金属氧化物和硫化物与多硫化物之间的相互作用有待于进一步研究。