中國儲能網(wǎng)訊：目前，鋰離子電池廣泛應用于各種便攜式電子設備、電動汽車中，但隨著這些設備的不斷發(fā)展，基于石墨、插層化合物的鋰離子電池仍不能滿足社會的發(fā)展需要。為了進一步拓展鋰離子電池的應用前景，各種體系的電池得到了研究人員的關注。其中，鋰硫電池具有1672mAh/g的高理論比容量，幾乎是傳統(tǒng)正極材料如過渡金屬氧化物、磷酸鹽材料理論比容量的10倍；此外，硫還具有價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點，從而有望成為下一代理想的正極材料。鋰硫電池的概念最早在上世紀60年代就被提出，但直到近20年才有相關的比較突出的研究成果。在本期內(nèi)容中，鋰先生為大家推薦鋰硫電池領域ESI高被引文章，并按被引頻次列出11篇文章并對其通訊作者加以介紹，并在文末附上經(jīng)典PPT一份，旨在為相關領域的研究人員提供便利。
1、鋰硫電池中高度有序的納米結構碳-硫正極
圖1 碳-硫復合物的SEM圖及其電化學表征
作者報道了一種高度有序、交織狀的復合碳-硫正極材料，利用碳材料結構框架限制了硫在充放電過程中的溶解，實現(xiàn)了具有高比容量的鋰硫電池的制備。
（通訊作者：Linda F. Nazar ）
2、具有高比容量及循環(huán)穩(wěn)定性的石墨烯包覆硫微粒的鋰硫電池
圖2 石墨烯-硫復合材料的合成步驟及預計得到的復合材料的示意圖
作者在文章中介紹了一種利用炭黑修飾的石墨烯納米片包裹聚合物包覆的亞微米硫的結構，得到的石墨烯-硫復合材料在電化學測試中經(jīng)過100次循環(huán)后仍有600mAh/g的比容量，從而成為二次電池有潛質(zhì)的正極材料。
（通訊作者：崔屹）
3、高功率鋰硫電池用多孔空心碳-硫復合材料
圖3 介孔碳空心球、碳-硫納米復合物的TEM圖及碳-硫納米復合物的EDX譜圖
該文作者介紹了一種簡單的合成介孔碳空心球的方法，并將其與硫進行復合用于鋰硫電池中。經(jīng)電化學測試，在0.5C倍率下100次循環(huán)后比容量可達到850mAh/g。該方法為鋰硫電池的納米化結構提供了新的指導思想。
（通訊作者：Lynden A. Archer）
4、高性能鋰硫電池中使用氧化石墨烯作為固硫劑
圖4 GO-S納米復合物在氬氣氣氛155℃下熱處理12h后的SEM圖與EDX譜圖
該文章作者針對鋰硫電池中存在的多硫化物溶解造成電池容量衰減的問題，提出了在氧化石墨烯的反應性官能團上用化學法固定多硫化物的方法，從而能在氧化石墨烯納米片上得到均勻、薄的硫納米包覆層。經(jīng)電化學測試，電池的比容量可達到950-1400mAh/g，在0.1C倍率下可穩(wěn)定循環(huán)50次以上。
（通訊作者：張躍鋼）
5、高比容量鋰硫電池中的空心碳包覆硫正極材料
圖5 中空碳納米纖維/硫復合材料結構設計示意圖
該文作者針對鋰硫電池充放電過程中多硫化物溶解的問題，提出了用空心碳納米纖維包覆硫的結構，能有效限制多硫化物的溶解。經(jīng)過電化學測試該電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能，為鋰硫電池的設計提出了新思路。
（通訊作者：崔屹）
6、通過微孔碳球包覆硫正極材料提高電池長循環(huán)性能
圖6 碳球與碳-硫復合物的TEM圖片、HAADF-STEM圖片、EDX譜圖
該文章作者通過一種簡單的將微孔碳與硫進行熱處理的方法，得到了用于高能量密度鋰硫電池的碳-硫復合負極材料，該復合材料中硫的負載量達到了42wt%，電化學測試表明改電池具有長循環(huán)穩(wěn)定性。
（通訊作者：高學平）
7、高能量密度鋰硫電池中的硫-碳納米復合分級結構材料
圖7 以雙峰多孔碳支撐的硫-碳復合正極材料的示意圖
該文章作者首次報道了一種用于高能量密度鋰硫電池中的分級硫-碳復合材料，通過軟模板法合成了孔徑為7.3nm的介孔碳材料，通過氫氧化鉀活化后得到一種具有少于2nm孔徑的雙峰微孔碳材料，通過溶硫使其負載在多孔碳材料中。高比表面積、孔隙率顯著提高了硫的利用率。
（通訊作者：梁誠篤）
8、鋰硫電池中硫浸漬無序碳納米管正極
圖8 無序碳納米管的TEM圖及硫浸漬無序碳納米管電極第二次循環(huán)的CV曲線
在這項研究中，研究人員合成了硫浸漬碳納米管正極材料，得到的電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能和高的庫倫效率。此外，電化學表征表明熱處理使硫在碳中的固定存在新的穩(wěn)定機制。
（通訊作者：王春生）
9、鋰硫電池中小硫分子具有更好的性能
圖9 CNT@MPC的結構表征
該文章作者針對鋰硫電池中硫損失的問題，提出了通過控制硫分子的尺寸至較小的同素異形體可有效減少硫的損失，在導電微孔碳的網(wǎng)絡中合成亞穩(wěn)態(tài)小硫分子S2-4，該小分子可完全避免過渡態(tài)的大分子S8和S42-。
（通訊作者：萬立駿）
10、中空的硫-TiO2核殼納米結構用于長循環(huán)鋰硫電池
圖10 在各種硫基納米結構中嵌鋰的示意圖
研究人員針對鋰硫電池中硫的體積膨脹及多硫化物溶解的問題，合成了一種TiO2包覆硫的核殼結構，同時在TiO2殼層內(nèi)部為硫預留了膨脹的體積空間。該工作為具有體積膨脹材料在電極中的應用提供了建設性思想。
（通訊作者：崔屹）
11、鋰硫電池中的鋰鍵化學
圖11-1.DNA中的氫鍵和鋰硫電池中的鋰鍵的原理圖
a）氫鍵相較于共價鍵和離子鍵的結合力弱，因此在自然界中氫鍵普遍會形成動態(tài)網(wǎng)絡，比如雙螺旋的DNA。
b）鋰作為最接近氫的同類物質(zhì)，可以形成氫鍵的類似物，鋰鍵。
圖11-2.Li-S電池中的鋰鍵分析
a）Li2S8與吡啶（PD）結合的結構優(yōu)化；
b）Li2S8和DOL、石墨烯或摻雜有吡啶氮（pN）的石墨烯之間的結合能；
c）Li2S8與PD間的電荷傳輸；
d）Li2S8 -PD簇的偶極子；
e）Li2S8與PD接觸前后的自然鍵結合分析。紅色和藍色分別代表軌道的正負相位。DOL為1，3—二氧戊環(huán)。灰色、藍色、白色、紫色和藍色分別代表C、N、Li和S原子。
圖11-3. Li2S8與PD反應前后的7Li NMR光譜
（a）理論計算值；（b）實驗獲得值。
研究團隊通過量子化學計算與核磁共振（NMR）實驗相結合的方法證實了Li-S電池中的鋰鍵理論。鋰多硫化物和Li-S正極材料之間的強偶極-偶極相互作用源自于富電子的供體（例如：吡啶氮（pN）），而支架材料的誘導作用和共軛作用使其得到進一步地增強。7LiNMR光譜中鋰多硫化物的的化學位移被認為是鋰鍵強度的定量描述，實際的電化學測試進一步證明了這一理論。
（通訊作者：張強）
上述文章部分通訊作者及其簡介：
Linda F. Nazar，加拿大滑鐵盧大學化學、電子及計算機工程教授，是一位世界電池領域的女杰出科學家，主要研究儲能材料和固態(tài)電化學材料，2009年曾經(jīng)獲得國際電化學會電池部研究獎，2010年獲得加州研究所摩爾杰出學者獎，2011年獲國際鋰電池學會獎，2011年獲國際純粹化學會化學工程杰出女性科學家獎，2011年琳達·納薩爾博士被評為加拿大皇家學會會員，2014年入選湯森路透的高引作者。
崔屹，1998年在中國科學技術大學獲理學學士學位； 2002年在哈佛大學獲得博士學位；2003年-2005年在加州大學伯克利分校從事博士后研究；現(xiàn)任斯坦福大學教授。主要研究納米材料的設計，合成和性能研究以及應用在能源存儲，太陽能電池，催化，水和空氣凈化; 二位層狀材料；拓撲絕緣體；納米生物學。
張躍鋼，研究員。1981年至1989年獲得清華大學碩士學位，1996年獲得日本東京大學材料科學專業(yè)博士。曾于日本電氣基礎研究所、斯坦福大學、英特爾公司從事科學研究，現(xiàn)任美國勞倫斯-伯克利國家實驗室研究員。自中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所申報中組部千人計劃，并于2012年2月入選中組部千人計劃。
高學平，男，南開大學材料科學與工程學院研究員。長期從事新能源材料與化學電源的基礎研究工作。相關研究成果發(fā)表SCI摘錄論文100余篇，部分成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater.和Adv. Energy Mater.等期刊上。論文共被SCI他人引用9000余次，h指數(shù)52。其中，有13篇文章入選ESI近十年高引用論文。連續(xù)入選2014和2015年愛思唯爾(Elsevier)中國高被引學者，入選上海軟科與愛思唯爾(Elsevier)于2016年發(fā)布的“全球能源科學與工程學科高被引學者”。獲2003和2015年度天津市自然科學二等獎(第一完成人)，獲2005年度國家科技進步二等獎(第六完成人)。
王春生，馬里蘭大學化學和生物分子工程教授。1995年獲得浙江大學材料科學與工程博士學位。在2007年加入馬里蘭大學之前，2003-2007年在田納西技術大學化學工程系任助理教授，1998-2003年在德克薩斯農(nóng)機大學的電化學系統(tǒng)和氫研究中心任研究員。他的研究主要集中在二次電池和燃料電池上。
萬立駿，物理化學家。1957年7月生，籍貫遼寧大連。曾任中國科學院化學研究所所長，目前仍兼任北京分子科學國家實驗室主任，中國科學院分子納米結構與納米技術重點實驗室主任。現(xiàn)任中國科學技術大學校長（副部長級）。
張強，漢族，1984年出生，黑龍江人，清華大學化學工程系教授，獲得國家"萬人計劃"青年拔尖人才(2015 年)、英國皇家學會"牛頓高級學者基金"等榮譽，是一位富有親和力和卓越科研能力的青年教授。
附一份經(jīng)典鋰硫PPT
來源：材料文稿來自 新能源leader，材料人，興業(yè)電新研究
