鋰硫電池以單質(zhì)硫或含硫化合物作為正極、金屬鋰作為負極，基于硫和鋰之間的多電子轉(zhuǎn)化反應實現(xiàn)能量儲存，其理論能量密度高達2600Whkg-1，是目前商業(yè)化鈷酸鋰/石墨電池理論能量密度的6倍以上（387Whkg-1）。同時，硫自然資源豐富、價格低廉且環(huán)境友好，有望進一步降低電池成本，符合電動汽車和大規(guī)模儲能領域?qū)﹄姵氐囊?。因此，鋰硫電池被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池體系，并成為高比能儲能器件領域的前沿研究熱點。

由于硫的電導率低、充放電中間產(chǎn)物多硫化物易溶于電解液，充放電時體積變化較大，鋰硫電池正極通常面對著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性差、庫侖效率低等問題，嚴重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應用。

提升硫正極導電性

如何有效提升硫正極導電性，抑制多硫化物溶解并緩沖活性物質(zhì)的體積變化，是發(fā)展高性能鋰硫電池并最終實現(xiàn)其實際應用的關鍵之一。我國科學院金屬研究所研究員李峰向《我國科學報》介紹說：由于碳材料具有導電性高、表面積大、孔結(jié)構豐富及結(jié)構多樣化等優(yōu)點，可為硫電極構建高效且穩(wěn)定的導電網(wǎng)絡，并對多硫化物起到良好的吸附和錨定用途，同時為硫的體積膨脹供應緩沖空間，從而有效提升活性物質(zhì)利用率、電化學反應動力學和電極循環(huán)穩(wěn)定性。

為此，他們以碳質(zhì)材料為基礎，圍繞硫正極存在的關鍵問題，從碳材料導電/限域網(wǎng)絡構建、界面調(diào)控和一體化電極結(jié)構設計出發(fā)，對硫正極結(jié)構進行設計優(yōu)化，以提升硫的電化學活性，抑制多硫離子在電解液中的溶解與擴散，并緩沖硫在充放電過程中的體積變化，為高能量密度、長循環(huán)壽命鋰硫電池的設計供應科學依據(jù)。

我們發(fā)現(xiàn)，與大直徑碳納米管相比，采用直徑較小的碳納米管，具有較高的電子傳導效率，能夠在實現(xiàn)較高硫含量條件下，保證電子/離子擴散路徑，從而提升硫利用率。中科院金屬所方若翩博士介紹說，基于這個認識，利用具有互聯(lián)導電網(wǎng)絡結(jié)構的單壁碳納米管薄膜，他們實現(xiàn)了硫含量高達95wt%的硫/單壁碳納米管網(wǎng)絡結(jié)構復合電極，硫在復合電極中呈納米級均勻分布。通過簡單的層疊法，可實現(xiàn)8.63mAhcm-2的面容量，提升了電極的實用價值。

該研究團隊將棉花經(jīng)過高溫碳化處理后獲得三維連通空心碳纖維泡沫，以此作為三維集流體，結(jié)合碳納米管和碳黑納米顆粒，為硫電極構建兼具短程和長程的多級導電網(wǎng)絡，實現(xiàn)了單位面積硫載量高達21.2mgcm-2的復合硫電極設計。三維集流體能在三維尺度上保證與活性物質(zhì)良好的導電接觸，從而提升高硫載量時的活性物質(zhì)利用率，實現(xiàn)了高達23.32mAhcm-2的面容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性?；谌S集流體對電解液的高吸附能力，我們提出了限域多硫化物的新機制：電極在吸附電解液的同時，也將溶解在電解液中的多硫化物吸附在正極區(qū)域，從而有效抑制了多硫化物的擴散，保證了電極良好的循環(huán)穩(wěn)定性。