隨著可再生能源供應的不斷增長，低碳化、電氣化已成為能源電力發(fā)展的主要趨勢。在這一大背景下，電動汽車、電動飛機期盼能實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。然而，由于缺乏具有穩(wěn)定“儲能”與“供電”能力的電源系統(tǒng)，這一愿望想要真正實現(xiàn)并不是一朝一夕的事情。
盡管鋰電池目前已經被大規(guī)模商業(yè)化，然而鋰電池的實際性能已逐漸接近理論極限，成為能源相關產業(yè)進一步發(fā)展的“瓶頸”。具有較高的理論能量密度、較低的電極材料成本，以及正極硫材料環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點的鋰硫電池受到了廣泛的關注，其在電動汽車、無人機及軍用便攜式電源領域有著廣泛的產業(yè)應用前景，被認為是下一代最具發(fā)展前景的儲能技術之一。
前景是光明的，道路是曲折的。由于硫及其放電產物導電率低、多硫化物穿梭以及反應動力學緩慢，導致硫的利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差。為了提高活性材料硫的利用率、改善鋰硫電池的電化學性能，近年來科研人員進行了大量的探索與研究，積極尋找著適合的硫宿主材料、黏合劑以及電解質。
（來源：蘇州大學能源學院）
目前，這些領域的許多研究已經取得了一些成果，但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負載量低、面容量低、電解液使用過量等問題，遠遠不能滿足實際應用和商業(yè)化要求。已有相關研究表明，導致鋰硫電池能量密度不足、電池循環(huán)壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應”。
多硫化物的“穿梭效應”，即在鋰硫電池的放電過程中，硫的電化學還原是兩電子、多步驟的反應，反應生成多硫化物（Li2Sx）中間產物，可溶解于醚類電解液；若擴散至負極，則與鋰反應生成不溶性的硫化鋰，鋰繼而被腐蝕并消耗活性物質，造成容量的不可逆損失，從而降低電池的循環(huán)壽命。
而抑制“穿梭效應”是鋰硫電池研究的關鍵領域之一，其核心就是如何使其反應中生成的長鏈多硫化物束縛在硫正極側，或從根本上抑制多硫化物的產生。雖然這在原理上是可行的，但還需要進行進一步的探索研究。
日前，蘇州大學能源學院、中國科學院、北京大學的研究人員首次將高效電催化劑引入可打印墨汁中構建3D打印硫正極，獲得了具有高倍率性能和面容量的鋰硫電池，相關研究成果已發(fā)表于《納米能源》雜志。據稱，相關技術還可推廣到其他新興的儲能設備領域，為發(fā)展新型、高效、規(guī)模化的電極構筑方法提供重要借鑒。
基于3D打印技術構筑高導電性硫正極
（來源：蘇州大學能源學院）
3D打印技術自誕生以來，已經廣泛應用于醫(yī)療、軍工、航天、汽車、電子、機械、建筑等多個領域。同時，它在鋰電池、鋰氧電池、鋅電池等儲能系統(tǒng)中也得到了初步應用。在長期關注并開展烯碳能源材料及應用技術研究的基礎上，近年來該研究團隊從3D打印技術中找到了新的思路。
3D打印技術有助于構建多級孔結構的自支撐無集流體電極，并利于離子和電力的快速傳輸。他們指出，將3D打印技術這一優(yōu)勢運用到鋰硫電池中，通過控制打印層數(shù)實現(xiàn)控制電極材料的負載量，可突破常規(guī)涂覆法制備電極的厚度限制，從而獲得具有高單位面容量的電池系統(tǒng)；在實際應用方面，3D打印技術還可滿足定制化和規(guī)?；瘍δ芷骷臉嬛枨蟆?
研究人員利用3D打印技術，方便、高效、便捷地構筑了高負載硫正極，該架構具有經過優(yōu)化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率，有利于對多硫化物進行高效管理。同時，為了更好地抑制“穿梭效應”，研究人員設計了包含硫/碳和LaB6電催化劑的混合墨汁，用于打印高性能的硫正極。金屬性LaB6電催化劑可以均勻地分布在3D打印的架構內，自發(fā)地確保有豐富的活性位點用于多硫化物的固定和轉化，從而實現(xiàn)高效率的放電或充電過程。
基于3D打印構筑硫正極的動力學表征
（來源：蘇州大學能源學院）
研究人員表示，這對多硫化物的管控起到了積極作用，能更加有效地抑制’穿梭效應’，從而獲得具有優(yōu)異性能的鋰硫電池體系。同時，這也為設計鋰硫電池的正極結構和提升硫正極的反應動力學提供了新的思路。
據悉，該研究團隊此前孵化的鋰硫電池的續(xù)航時間是同樣重量鋰電池的2.5倍，且目前已經在大翼展無人機、高速無人機上試飛成功。然而面向能量存儲應用領域的3D打印技術還存在許多關鍵“瓶頸”待突破，如電極的打印精度對設備配置提出了更高的要求，打印墨汁的制備工藝亟待系統(tǒng)探索，缺乏規(guī)?；∷⒀b備等。同時，在該技術逐漸走向實用化和產業(yè)化過程中，須開發(fā)3D打印自支撐結構的硫正極，從而實現(xiàn)高載量硫電極的規(guī)?；苽洹?
研究人員指出，要真正實現(xiàn)低碳乃至無碳、貧電解液、高載硫的鋰硫電池系統(tǒng)，還有許多問題需要解決。例如，為了獲得高體積能量密度的鋰硫電池，需要提高硫正極的密度，并采用少碳甚至無碳宿主；由于硫正極的多孔性導致需要消耗大量電解液，因此需要通過優(yōu)化正極的孔結構，以降低電解液的用量；在規(guī)?；a鋰硫電池體系中，須采取抑制其枝晶生長的策略等，以保證鋰負極的安全性等等。
