随着社会生产和全球经济的快速发展,传统的不可再生化石能源的消耗量急剧增加,由此引发的全球生态危机和环境污染问题变得日益严重,研究和开发可再生清洁能源来代替不可再生的化石能源成为一个亟待解决的重大课题。由于风能、太阳能等新能源存在周期性和间隙性等特点,作为电能储存设备的二次电池已成为可再生能源中的研究热点。锂离子电池作为二次电池的代表,在智能手机和笔记本电能等便携式电子设备中得到了广泛的应用。要实现混合动力汽车(HEVs)到全电动汽车(EVs)的发展,关键在于研发出能量密度高、比容量大、耐用性好、成本低的电能储存体系。

然而,目前锂离子电池的能量密度和循环稳定性并不能满足先进交通工具和便携式电子设备的发展要求。在各种类型的可充电电池中,锂硫电池

​因其极高的理论比容量(1675mAh/g)和理论能量密度(2600Wh/kg)而引起广泛的关注[6-9]。此外,单质硫具备储备丰富、价格低廉、无毒无污染等优势,使得锂硫电池在高能量密度的设备中具有潜在的应用价值,因此探索含硫基复合材料的锂硫电池符合未来二次电池的发展要求。

尽管锂硫电池在理论上具有极高比容量和能量密度,但在实际使用中依然存在如下问题。第一,硫的导电性很差,常温下的电导率仅为5.0×10-30S/cm,且还原产物Li2S2和Li2S属于绝缘体。第二,在充电过程中形成的中间产物(Li2Sn,3≤n≤8)易溶于有机电解液中,溶解的多硫化物会跨膜迁移到负极与Li反应,后续迁移的高阶多硫化物会和负极表面的硫化锂反应形成低阶多硫化物,硫材料在正负极之间形成的穿梭效应破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜),造成了额外的化学反应和传递过程耦合;此外,不溶的Li2S2和Li2S则会沉积在电池的正负极,导致活性物质的损失。第三,硫和硫化锂的密度分别为2.07g/cm3和1.66g/cm3,锂硫电池的正极在充放电过程中会有79%的体积发生膨胀与收缩变化,这种体积效应导致正极形貌和结构的改变,导致硫与导电骨架的脱离,从而造成容量的衰减;这种体积效应在纽扣电池下不显著,但在大型电池中体积效应会放大,会产生显著的容量衰减。第四,锂硫电池使用金属锂作为负极,除了金属锂自身的高活性,金属锂负极在充放电过程会发生体积变化,并容易形成枝晶。因此,提高锂硫电池硫基正极材料的结构稳定性和电化学性能成为研究的主要内容。对于硫正极材料的改性,主要是将单质硫与具有特定结构及良好导电性能的基质材料复合制备出高性能的硫基复合正极材料。

采用的基质材料一般具有以下3个功能:(1)具备良好的导电性;(2)能使单质硫均匀分布,并提高其利用率;(3)能抑制硫及其多硫化物的溶解。碳质材料具有优异的力学、电学、导热性能,可调的孔结构以及丰富的表面特性。通过碳质材料的引入可使硫电极的电导率大幅提高,由于碳的吸附性质,也可以有效地限制中间产物多硫化物溶解于电解质,改善锂硫电池的电化学性能。碳质材料和硫高效复合得到的碳硫复合正极中,纳米碳质材料可形成高效的正极导电骨架结构,从而很大程度上克服硫、硫化锂低电导率等问题;利用纳米碳质材料的独特孔结构也可调变多硫化物的溶解、迁移和穿梭,减少活性材料的流失。因此凤谷锂电材料实验窑的技术项目部分别从一维碳、二维碳、三维碳这3个方面入手,深入分析了多种含硫正极材料的设计思路和充放电性能,并讨论了用于锂硫电池的碳质材料的发展前景和研究方向。