中國粉體網(wǎng)訊 近年來，鋰離子電池開始在電動汽車等動力電池領域得到應用。但是，由于其能量密度不夠高，導致鋰離子電池電動汽車續(xù)航短、充電頻繁及購車成本高。由金屬鋰為負極和硫為正極組成的鋰硫電池的能量密度（2600Wh·kg-1）遠高于目前廣泛使用的鋰離子電池。此外，硫正極材料具有儲量豐富、毒性低、價格便宜、環(huán)境友好等突出優(yōu)點。因此，鋰硫電池被認為是當前最具研究前景的高能量密度二次電池之一。
鋰硫電池目前存在的主要問題
①體積膨脹；
②S和Li2S2/Li2S絕緣性質(zhì)；
③鋰聚合物溶解導致的在電極和電解液之間的穿梭效應；
④枝晶鋰的形成導致嚴重安全問題和電池內(nèi)部短路；
⑤揮發(fā)性氣體的演變造成的電化學性能下降。
這些問題使得鋰硫電池的倍率性能、循環(huán)壽命和庫倫效率等電化學性能離實際應用仍有較大距離。目前關于硫正極材料的研究工作，主要集中于如何提升其導電性、抑制或消除由多硫化鋰的溶解引起的穿梭效應以及在反復的循環(huán)過程中保持電極材料微結構的穩(wěn)定性等方面。
針對以上問題，研究人員對Li-S電池進行了多種改性嘗試，其中研究較多的是對硫正極進行復合改性，下面做詳細介紹。
鋰硫電池正極材料改性方法
鋰硫電池正極改性通常是將導電材料在納米尺度下與硫復合，來減輕充放電過程中材料的粉化問題；并構建高比表面積、高導電性、大量孔通道的材料，來負載更多的活性物質(zhì)。復合材料通常包括硫−碳復合、硫−金屬化合物復合以及硫−導電聚合物復合等。
01硫-碳復合材料
硫-碳復合材料是鋰硫電池復合正極材料中應用最廣泛的一種，即硫與導電碳材料摻雜構成的一種復合材料。一方面是因為碳材料具有良好的導電能力，這使得硫-碳復合材料的導電性能明顯優(yōu)于硫正極材料；另一方面，碳載體的多孔道可以有效緩解正極材料的體積效應，同時對反應中的多硫化物具有較強的吸附作用，進而有效抑制多硫化鋰的遷移并緩解多硫化物的溶解。這里的碳材料包括一維、二維和三維的碳材料。
①一維碳材料
硫-碳復合材料中，應用最多的是碳納米管或碳納米纖維。碳納米管尺寸小，比表面積大且界面效應強，因此受到材料科學家的廣泛關注。其管狀結構可以自發(fā)組裝形成三維導電網(wǎng)絡，在提供儲硫空間的同時，大大縮短鋰離子的擴散路徑，從而提高電池正極性能。
②二維碳材料
二維碳材料主要是指石墨烯材料，石墨烯由于其碳原子獨特的雜化結構而表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性能與力學性能，因此是用于鋰硫電池正極改性的理想材料。
③三維碳材料
三維碳材料主要是指多孔碳材料。多孔碳材料的比表面積極高、性質(zhì)穩(wěn)定且成本低廉，且孔結構具有一定的可控性，例如微孔碳材料與多級多孔碳材料等。
02硫-金屬化合物復合材料
①金屬氧化物
金屬氧化物含有O2−，具有很強的極性。與傳統(tǒng)的碳材料相比，金屬氧化物具有大量的極性位點來吸附聚硫化物，同時因其獨特的能帶結構和內(nèi)部電子缺陷使其成為良好的導體。此外，由于氧化物的固有密度大，使其在Li-S電池中具有很高的體積能量密度。因此，一些氧化物（TiO2、MnO2、SiO2等）被認為是Li-S電池中很好的硫寄主材料。
S-TiO2納米結構合成圖
②金屬硫化物
近些年來，金屬硫化物（MoS2、CoS2、TiS2等）被開發(fā)并應用于Li-S電池中，主要有以下兩方面優(yōu)點：親硫性強；鋰化電位低，可有效避免Li-S電池中電化學窗口的重疊。
MoS2@S的合成原理圖
③金屬氮化物
金屬氮化物由于其獨特的電子結構、高電導率、大的體積能量密度和很好的電催化活性成為了新一代有前景的硫寄主材料。但金屬氮化物通常存在電化學活性位點有限、容量較低、循環(huán)性差等缺點，要解決這些問題還需要更進一步的研究。
03硫-導電聚合物復合材料
導電聚合物是一種具有導電性的高分子聚合物。例如，聚吡咯與聚噻吩等聚合物材料均具有良好的導電性能。相比于需要進行高溫碳化處理的碳材料，導電聚合物無需高溫處理，因此可以在低于硫熔點的溫度進行復合正極的制備。此外，導電聚合物柔軟的力學性能，也可以有效緩解正極材料在電化學反應充發(fā)電循環(huán)過程中的體積效應。
另外，導電聚合物也可以與其他材料一起參與正極材料的改性。
綜上我們可以看出，對鋰硫電池正極材料的改性方法的研究已經(jīng)取得了顯著的進展，但是由于改性成本比較高，目前離規(guī)�；a(chǎn)與最終的工業(yè)化還有很遠的距離。今后研究工作的重點將要集中在制備功能化、低成本、易于工業(yè)化生產(chǎn)的鋰硫電池正極材料。
參考資料：
陳子沖.鋰硫電池硫正極材料研究進展
任逸倫.高比能鋰硫電池正極材料研究進展
張子昂.鋰硫電池正極材料的改性方法研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
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