本文針對(duì)鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢的現(xiàn)狀，從實(shí)用化層面分析了制約鋰硫電池發(fā)展的基本問(wèn)題：正極面容量低，電解液用量高，電池倍率性能差及鋰負(fù)極的不穩(wěn)定性，并結(jié)合自身工作，提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：鋰硫電池實(shí)用化；正極面容量；電解液用量；電池倍率性能；鋰負(fù)極
鋰硫電池以其高比能量、原料廉價(jià)、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是繼鋰離子電池之后最有可能實(shí)用化的二次電池新體系。然而，鋰硫電池從發(fā)明至今已有60年的時(shí)間，集中研發(fā)也近10年，尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的規(guī)模應(yīng)用，原因何在？眾所周知，鋰硫電池存在正極活性物導(dǎo)電性差、穿梭效應(yīng)、體積膨脹及自放電等科學(xué)層面的固有問(wèn)題，這里不作深入討論。我們?cè)谲洶b鋰硫電池研發(fā)方面耕耘多年，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，本文從實(shí)用化層面將制約鋰硫電池發(fā)展的問(wèn)題進(jìn)行了梳理、分析，希望能拋磚引玉，引發(fā)大家對(duì)相關(guān)問(wèn)題的關(guān)注、思考和討論，共同推動(dòng)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
一
鋰硫電池正極面容量低的問(wèn)題
圖1 鋰硫電池各組分質(zhì)量分布圖
Fig.1 Weight distribution of components in lithium sulfur batteries
圖1是400W?h/kg鋰硫電池各組分的重量分布圖，由圖可知，活性物質(zhì)硫在電池中的含量?jī)H占15%。主要原因在于單質(zhì)硫的密度較小，在電池有限的體積中難以填裝大量的硫，加上鋰硫電池電解液用量大，使得鋰硫電池的實(shí)際能量密度遠(yuǎn)低于理論值，即電池的實(shí)現(xiàn)效率低。要實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的高比能量，首先應(yīng)當(dāng)提高電池硫的填裝量，同時(shí)提高硫的比容量，即獲得高面容量的正極。
高面容量正極要通過(guò)“四高”途徑——正極材料高含硫、正極高含硫、正極高載硫及高的活性物質(zhì)利用率（即硫的比容量）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中前“三高”是前提條件，在這些前提條件下，要盡可能提高活性物質(zhì)硫的利用率。如400W?h/kg的鋰硫電池，正極片的面容量需達(dá)到5 mA·h/cm2以上。假設(shè)硫的比容量達(dá)到1250mA·h/g，那么正極的載硫量要大于4mg/cm2(單面)，一般來(lái)說(shuō)正極含硫量要大于75%，同時(shí)滿足上述條件，對(duì)于鋰硫電池來(lái)說(shuō)并非易事。鋰硫電池正極存在放電中間溶解-沉積現(xiàn)象，意味著多硫離子濃度梯度和空間分布發(fā)生變化，導(dǎo)致擴(kuò)散路徑和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)發(fā)生改變。極片含硫和載硫越高，多硫離子濃度梯度和空間分布變化越大，越難以實(shí)現(xiàn)硫的高比容量。而提高硫的比容量是提高電池比能量的最直接、有效的途徑。以10A?h鋰硫軟包裝電池為例，硫的比容量每提高100mA?h/g，電池的比能量將提高50 ~ 60 W?h/kg。
如何實(shí)現(xiàn)正極高含硫、高載硫條件下硫的高比容量？正極材料的設(shè)計(jì)制備是關(guān)鍵。我們的正極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路是：①高含硫，材料含硫量大于85%，以保證極片的高含硫；②將硫與經(jīng)過(guò)表面處理的導(dǎo)電碳進(jìn)行均勻復(fù)合，碳材料提供高活性的電化學(xué)反應(yīng)界面；③通過(guò)造孔劑的應(yīng)用，構(gòu)建具有豐富離子通道的材料微結(jié)構(gòu)，解決放電產(chǎn)物的體積膨脹問(wèn)題，保證離子擴(kuò)散的通暢；④利用外殼層的包覆作用適當(dāng)限制多硫離子的擴(kuò)散[1-2]。這些措施可以使硫的比容量達(dá)到1200mA?h/g以上，但距離硫的理論容量還有差距，硫的比容量挖掘潛力在何處呢？我們認(rèn)為，從Li2S2還原至Li2S還有418mA?h/g的容量提升空間，是硫的比容量提升潛力所在，但由于是固相-固相反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)速率慢，轉(zhuǎn)化效率低，需要借助催化劑的作用。近年來(lái)文獻(xiàn)中關(guān)于催化Li2S的電化學(xué)可逆轉(zhuǎn)化物質(zhì)的報(bào)道越來(lái)越多，也出現(xiàn)了1600mA?h/g以上的接近硫的理論比容量的數(shù)據(jù)[3]，說(shuō)明Li2S2轉(zhuǎn)化至Li2S的過(guò)程是可以實(shí)現(xiàn)的。我們?cè)谡龢O材料制備時(shí)，在外包覆層中引入特殊成分，通過(guò)電解液的添加劑與正極材料外包覆層中的特殊成分相互作用，原位生成功能層，來(lái)促進(jìn)Li2S2和Li2S的可逆轉(zhuǎn)化。通過(guò)這種原位功能層的作用，所制備的9A?h電池，極片載硫5.2mg/cm2，極片含硫78%的情況下，0.05C倍率下放電，硫的比容量可以達(dá)到1500mA?h/g，電池比能量達(dá)到605W?h/kg，說(shuō)明在高含硫、高載硫正極中實(shí)現(xiàn)硫的高利用率、達(dá)到或接近硫的理論容量是可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，值得進(jìn)一步探索。
二
鋰硫電池電解液用量高的問(wèn)題
鋰硫電池中電解液用量大，約占電池總重的50%左右，是鋰硫電池實(shí)現(xiàn)效率不高的主要原因之一。鋰硫電池電解液用量大的原因如下。①單質(zhì)硫溶解放電機(jī)制所致。硫是電子、離子絕緣的物質(zhì)，只有邊放電、邊溶解，才能保證電子、離子通道的暢通，進(jìn)而保證電化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。在鋰硫電池體系中，電解液不僅傳輸鋰離子，還需要溶劑化不同放電階段的中間產(chǎn)物，因此需要大量的電解液溶劑。②電池循環(huán)過(guò)程中，負(fù)極鋰的粉化會(huì)消耗大量電解液。由于鋰表面的SEI膜不穩(wěn)定，每次循環(huán)都經(jīng)歷破壞、重建的過(guò)程，而且隨著循環(huán)的進(jìn)行，鋰的粉化導(dǎo)致比表面積增加，對(duì)電解液的消耗也會(huì)增加。
減少電解液用量，是提升鋰硫電池比能量的直接途徑。一般認(rèn)為以下三種途徑可能減少電解液用量。①少電解液體系的開(kāi)發(fā)。鋰硫電池通用的電解液是以一定比例的DOL和DME為混合溶劑，采用LiTFSI為電解質(zhì)鹽，加上LiNO3添加劑組成，在軟包裝電池的通常用量是E/S為3~3.5。文獻(xiàn)中有關(guān)于減少鋰硫電池電解液用量的報(bào)道，如選用對(duì)多硫離子溶劑化程度低的腈類溶劑[4]、對(duì)多硫離子溶解度低的氟代醚類溶劑[5]及降低溶劑活性，減少副反應(yīng)，改變?nèi)芙?沉積機(jī)制為半固態(tài)機(jī)制等[6]，這些工作雖然在一定程度上可以降低電解液用量，但往往以增加極化、降低材料利用率為代價(jià)，目前尚無(wú)有效的可取代現(xiàn)有的DOL/DME組合的溶劑。我們從降低黏度角度設(shè)計(jì)電解液的組成和配比。鋰硫電池放電過(guò)程有多硫離子溶解進(jìn)入電解液中，本身可以作為電解質(zhì)鹽承擔(dān)離子輸運(yùn)作用，這樣可以適當(dāng)降低電解質(zhì)鹽的用量，獲得低黏度、低密度的電解液，同時(shí)不影響電解液的離子電導(dǎo)。以此思路制備的電解液，在降低E/S值時(shí)，也不會(huì)因?yàn)殡娊庖吼ざ冗^(guò)大而增加電池極化、降低容量。我們將常用醚類溶劑DOL/DME中電解質(zhì)鹽的濃度降至0.6mol/L LiTFSI/0.4mol/L LiNO3，E/S為2.5時(shí)，電池的比能量可以達(dá)到500W?h/kg以上，E/S比為2.2時(shí)，電池的比能量可以達(dá)到550W?h/kg以上。由此可見(jiàn)，鋰硫電池中的電解液量是可能減少的。探索在溶解機(jī)制的鋰硫電池中電解液減量以及減量的極限需要引起更多的關(guān)注。②尋找非溶解機(jī)制的正極材料。與溶解機(jī)制的正極材料相比，非溶解機(jī)制的正極材料在減少電解液用量上具有先天優(yōu)勢(shì)。硫化聚丙烯腈（SPAN）即是此類材料的典型代表。表1對(duì)比了溶解機(jī)制和非溶解機(jī)制含硫正極材料的各項(xiàng)性能。由表可知，除了容量和放電電壓低于溶解機(jī)制正極材料外，非溶解機(jī)制正極材料在循環(huán)穩(wěn)定性上和減少電解液用量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，如果能找到提升其容量和電壓的技術(shù)途徑，SPAN完全可以用于構(gòu)建一類新型的高比能、長(zhǎng)壽命鋰電池。如何提高SPAN的容量和電壓呢？首先要研究清楚其儲(chǔ)鋰機(jī)制。我們首次采用固體核磁技術(shù)，詳細(xì)研究了SPAN在放電過(guò)程中的碳雜化結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，SPAN在首次放電過(guò)程中，除了硫-硫鍵斷裂外，一部分吡啶環(huán)中的C=N和C=C雙鍵打開(kāi)與鋰發(fā)生了反應(yīng)，形成“共軛雙鍵儲(chǔ)鋰”，因而SPAN的實(shí)際放電比容量超過(guò)硫的理論比容量；而在首次充電過(guò)程中，一部分碳原子和氮原子未發(fā)生脫鋰反應(yīng)，進(jìn)而使一部分鋰離子殘留在充電產(chǎn)物中，造成較大的首次不可逆容量損失；但是殘留在充電產(chǎn)物中的鋰離子有利于提高材料的導(dǎo)電性，因此第二次的放電電壓高于首次放電電壓[7]。這種新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，突破了以往一味提高硫含量來(lái)提高此類材料容量的局限，開(kāi)辟了優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高性能的新思路，也為開(kāi)發(fā)同類型新材料提供了理論基礎(chǔ)。SPAN與鋰離子電池通用的碳酸酯類電解液匹配性良好，可以與鋰離子電池正極材料相類比。例如，與三元或富鋰錳基正極材料相比，SPAN對(duì)鋰的電位雖然僅是前者的一半，但容量卻超過(guò)前者的2倍，完全可以構(gòu)建高比能量電池體系，值得大家關(guān)注。③對(duì)鋰負(fù)極進(jìn)行表面保護(hù)，生成穩(wěn)定的SEI膜，減少對(duì)電解液的消耗，該問(wèn)題在此不做詳細(xì)討論。
三
鋰硫電池的倍率問(wèn)題
影響鋰硫電池倍率性能的主要因素有兩方面，一是電極的導(dǎo)電性，包括電子導(dǎo)電性和離子傳導(dǎo)能力；二是活性物反應(yīng)機(jī)制相關(guān)的動(dòng)力學(xué)特性。 一般認(rèn)為，單質(zhì)硫是電絕緣性物質(zhì)，而且其正極電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程涉及固-液-固相轉(zhuǎn)化，動(dòng)力學(xué)性能較差，導(dǎo)致鋰硫電池的倍率性能不佳。文獻(xiàn)中提高鋰硫電池的倍率性能有以下幾個(gè)途徑，一是在材料或電極中引入碳納米管或石墨烯等增加導(dǎo)電性；二是采用金屬氧化物、硫化物、氮化物等具有催化作用的物質(zhì)，加快Li2S的電化學(xué)轉(zhuǎn)化速率；三是通過(guò)聚離子性的粘合劑增加離子通道[8]。通過(guò)這些技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)了10C以上的高倍率放電。但要注意這些高倍率數(shù)據(jù)是在正極硫載量不高、電解液用量很大的扣式電池中實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際軟包裝電池中，正極硫載量較高、電解液用量少的情況下，效果如何有待驗(yàn)證。
我們提高電池倍率性能的途徑依然從正極材料入手：首先在材料中引入點(diǎn)-線-面導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)筑豐富的電化學(xué)反應(yīng)界面，提高電子導(dǎo)電性；摻入元素硒，進(jìn)一步提高電子導(dǎo)電性； 引入催化劑，提高電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能； 材料多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于電解液的浸潤(rùn)和離子的輸運(yùn)?；诖苏龢O材料的鋰硫電池具有良好的倍率性能：我們所制備的2.4 A?h電池，極片載硫4.8 mg/cm2，極片含硫78%，E/S比為3.3，0.2C充電、0.4C放電的制度下，比能量達(dá)到390 W?h/kg，可以循環(huán)100周；制備的8.5A?h電池，極片載硫5.2mg/cm2，極片含硫78%，E/S比為2.2，0.1C充放電，比能量達(dá)到575W?h/kg；制備的5A?h電池，極片載硫5.2mg/cm2，極片含硫78%， E/S比為3.5，比能量達(dá)到400W?h/kg，1C放電容量是0.2C放電容量的90%。這些結(jié)果說(shuō)明正極材料電子導(dǎo)電通路、離子通道構(gòu)筑及催化作用物質(zhì)的引入可以實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的高倍率放電。目前提高硫的電化學(xué)轉(zhuǎn)化速率的各類具有催化作用的物質(zhì)（金屬氧化物、硫化物、氮化物、磷化物、有機(jī)物等）研究報(bào)道眾多，如何評(píng)估比較其作用，機(jī)制是什么？哪一類最有潛力？是值得深入研究的方向。
四
鋰負(fù)極的問(wèn)題
鋰負(fù)極的界面不穩(wěn)定性造成枝晶、粉化和體積變化大等問(wèn)題是鋰二次電池面臨的共性問(wèn)題，在鋰硫電池體系中，鋰負(fù)極的問(wèn)題顯得更加突出，嚴(yán)重制約著鋰硫電池的發(fā)展，主要原因如下。①鋰硫電池的電壓較低，僅為2 .1V，其高的比能量來(lái)自于電池體系高比容量的貢獻(xiàn)，這就意味著電極要具有很高的面容量。例如，鋰硫電池的比能量要達(dá)到400 W?h/kg，其極片單面需提供5mA?h/cm2以上的面容量，雙面達(dá)到10 mA?h/cm2，在這樣高的面容量下，每次循環(huán)，金屬鋰負(fù)極的雙面需涉及50μm鋰的溶出和沉積的巨大體積變化，而金屬鋰是無(wú)宿主的負(fù)極，自身既做活性物，又做集流體，為了獲得高的電池比能量，其容量冗余不超過(guò)正極容量的3倍，在沒(méi)有穩(wěn)定的骨架支撐情況下，會(huì)迅速出現(xiàn)枝晶、粉化、斷裂的現(xiàn)象，電池容量衰減嚴(yán)重，并可能出現(xiàn)安全問(wèn)題；②大容量鋰的不均勻沉積導(dǎo)致粉化現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)大量消耗電解液溶劑及其中能夠穩(wěn)定鋰負(fù)極的物質(zhì)，使電池的循環(huán)效率迅速下降，同時(shí)伴隨容量保持率迅速下降。
目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于提高金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性、抑制其枝晶的生長(zhǎng)投入極大的熱情，正在嘗試從多種途徑解決問(wèn)題，如成膜添加劑的應(yīng)用，鋰表面非原位SEI膜的構(gòu)建、高鹽濃度電解液的應(yīng)用、三維骨架的引入，或者上述兩種或幾種方法的綜合應(yīng)用等，雖然這些方法均在一定程度上緩解了枝晶的產(chǎn)生，鋰的循環(huán)穩(wěn)定性也有些提高（例如，鋰硫電池的壽命停留在100次），但距離徹底解決鋰負(fù)極的問(wèn)題尚有很大差距。
我們?cè)?jīng)最先將鋰硼合金用作鋰硫電池的負(fù)極，充放電50次之后負(fù)極表面的平整光潔度遠(yuǎn)優(yōu)于金屬鋰和鋰鋁合金負(fù)極，壽命也明顯延長(zhǎng)；與在金屬鋰上的沉積相比，鋰在鋰硼合金上的沉積效率既高且穩(wěn)定，顯示出解決金屬鋰的上述問(wèn)題良好的苗頭[9-10]。
鋰負(fù)極的表面處理要非常慎重。我們以安時(shí)級(jí)的軟包鋰硫電池，探索了鋰負(fù)極表面的原位或非原位多種處理方式，在用處理過(guò)的鋰負(fù)極組裝鋰硫電池時(shí)發(fā)現(xiàn)，鋰負(fù)極表面微小的改變，即可以引起電池容量的較大變化，我們稱之為鋰硫電池中的“蝴蝶效應(yīng)”。眾所周知，電池的容量是由低容量的電極決定的，在鋰硫電池中，鋰負(fù)極容量大大過(guò)量，鋰硫電池的容量應(yīng)該等同于正極的容量，與負(fù)極相關(guān)性不大。然而實(shí)際組裝電池時(shí)，卻經(jīng)常出現(xiàn)鋰負(fù)極經(jīng)處理后，不但使電池的循環(huán)性能發(fā)生變化，容量也有明顯的提高或降低現(xiàn)象，文獻(xiàn)中也有類似報(bào)道[11]。說(shuō)明鋰硫電池體系的復(fù)雜程度超乎想象，還有我們尚未認(rèn)知的機(jī)制或反應(yīng)過(guò)程，需要更加深入的研究。
五
結(jié) 語(yǔ)
目前，鋰離子電池在比能量上的進(jìn)步日新月異，使鋰硫電池的發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。鋰硫電池的研究方興未艾，實(shí)用化進(jìn)程仍步履蹣跚，其進(jìn)步需要研究者們基于科學(xué)評(píng)價(jià)體系下認(rèn)真、踏實(shí)的工作。全壽命周期鋰硫電池服役和拆解的安全性目前研究的較少，需要后期系統(tǒng)研究。鋰硫電池體系復(fù)雜，入門容易，進(jìn)階困難，這是所有從事鋰硫電池研究同仁們的共識(shí)。抱著講好故事、發(fā)好文章的心態(tài)只會(huì)永遠(yuǎn)停留在鋰硫電池研發(fā)的初級(jí)階段，觸及不到問(wèn)題實(shí)質(zhì)，也就很難對(duì)其實(shí)用化起到真正的推動(dòng)作用。希望本文能為有志于推動(dòng)鋰硫電池實(shí)用化的研究者提供一點(diǎn)思路和借鑒。
引用本文
王維坤,王安邦,金朝慶.鋰硫電池的實(shí)用化挑戰(zhàn)[J/OL].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù):1-8[2020-02-16].https://doi.org/10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0295.
