張 辰，劉東海，呂 偉，凌國(guó)維，楊全紅,

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高體積能量密度鋰硫電池的構(gòu)建：材料和電極

張 辰1，劉東海2，呂 偉3，凌國(guó)維1，楊全紅2,3

（1天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；3清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳518055）

鋰硫電池的出現(xiàn)為高能量密度儲(chǔ)能器件的發(fā)展提供了機(jī)遇，但硫的固有性質(zhì)也給鋰硫電池的性能突破造成瓶頸。碳納米材料顯著改善了硫正極的性能，然而從器件層面上，鋰硫電池的能量密度，特別是體積能量密度還遠(yuǎn)低于預(yù)期。高硫含量、致密化硫/碳復(fù)合電極設(shè)計(jì)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵，從材料設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)材料致密化、電極厚密化和器件輕薄化，是未來(lái)鋰硫電池實(shí)現(xiàn)高體積能量密度儲(chǔ)能的原則。本文討論了實(shí)現(xiàn)鋰硫電池致密儲(chǔ)能的研究策略，提出液相組裝是實(shí)現(xiàn)材料致密化的有效途徑，評(píng)述了高性能硫/碳復(fù)合材料的研究進(jìn)展，并對(duì)鋰硫電池致密儲(chǔ)能在航天、海洋探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

鋰硫電池；石墨烯；體積能量密度；液相制備

以煤炭、石油為代表的傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量逐漸枯竭，傳統(tǒng)化石能源的使用也造成了生態(tài)環(huán)境的日益惡化，人們正在迫切尋找傳統(tǒng)能源的綠色使用模式以及新型可替代綠色能源。在這種能源轉(zhuǎn)型的大背景下，高效、綠色的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)受到科學(xué)界 和產(chǎn)業(yè)界的極大關(guān)注，將能源存儲(chǔ)與終端應(yīng)用有效地聯(lián)系起來(lái)，被認(rèn)為是解決快速發(fā)展的移動(dòng)電子器件、電動(dòng)汽車(chē)供能以及大規(guī)模電網(wǎng)再生能源儲(chǔ)能的關(guān)鍵[1-5]。2016年底發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中，“新型高效儲(chǔ)能材料”、“石墨烯儲(chǔ)能器件”和“新型高效電池儲(chǔ)能”被納入能源科技創(chuàng)新重點(diǎn)任務(wù)。在下一代高能量密度電池體系中，以硫作為正極活性物質(zhì)，鋰金屬作為負(fù)極的鋰硫電池受到了眾多研究者的關(guān)注，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，鋰硫 電池具有不可比擬的高比能量，單質(zhì)硫的理論比容量可達(dá)1675 mA·h/g，理論比能量可達(dá)2600 W·h/kg，是新能源汽車(chē)動(dòng)力電池的理想選擇。而且，單質(zhì)硫來(lái)源豐富、成本極低、環(huán)境友好、電池安全性高。因此，鋰硫電池被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ南乱淮吣茕嚩坞姵豙6-10]。

雖然鋰硫電池的理論能量密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有儲(chǔ)能體系，但是鋰硫電池在其應(yīng)用發(fā)展過(guò)程中也存在著明顯的瓶頸：硫較低的電導(dǎo)率導(dǎo)致電極材料要引入大量非活性導(dǎo)電基體。目前主要應(yīng)用的導(dǎo)電基體為碳材料，基礎(chǔ)研究也證明碳納米材料的引入對(duì)于提升鋰硫電池中硫的利用率具有重要作用。同時(shí)，具有特殊孔結(jié)構(gòu)的碳骨架可以將中間產(chǎn)物L(fēng)i2S（4≤≤8）吸附在表面從而抑制電池在充放電過(guò)程中的穿梭效應(yīng)[11-13]。雖然碳納米材料的加入從基礎(chǔ)研究角度有效提升了電極材料的容量（基于活性物質(zhì)硫），但是通常情況下電池整體的質(zhì)量能量密度和體積能量密度都與實(shí)際應(yīng)用需求存在一定差距。主要存在的問(wèn)題如下：①?gòu)?fù)合材料中硫的負(fù)載量較低，為了獲得更好的導(dǎo)電性，硫碳復(fù)合電極材料中非活性的碳材料含量過(guò)高，導(dǎo)致電池質(zhì)量能量密度不高（以碳和硫的總質(zhì)量計(jì)算）；②多孔碳基體材料的低密度也造成了整體電極材料密度較低，導(dǎo)致材料內(nèi)部有大量冗余空間被電解液填充，僅增加了器件的質(zhì)量而并未貢獻(xiàn)容量，導(dǎo)致整體器件性能的下降[1]，為了獲得更好的傳質(zhì)和導(dǎo)電性能，電極極片的涂覆量及厚度往往較低，硫的負(fù)載量較低，這就導(dǎo)致鋰硫電池的體積能量密度較理想水平有一定差距?；诖?，鋰硫電池也面臨著和超級(jí)電容器類(lèi)似的困境：和質(zhì)量能量密度相比，體積能量密度成為了鋰硫電池發(fā)展中亟待提升的參數(shù)[14-15]。

鋰硫電池的體積能量密度需要從材料、電極和器件3個(gè)層面來(lái)考慮。正極主要是由硫碳復(fù)合材料、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑以及集流體構(gòu)成，電解液、隔膜、鋰負(fù)極以及電池殼也是電池的重要組成部分，在計(jì)算鋰硫電池的體積能量密度時(shí)，需要將以上組件的體積全部考慮在內(nèi)。電極材料的質(zhì)量比容量、電極的密度、電極在器件中的體積分?jǐn)?shù)和器件工作電壓是影響體積能量密度的關(guān)鍵參數(shù)[15]，電極材料作為能量提供部分，是整個(gè)鋰硫電池器件的基本且重要部分，是決定器件體積能量密度的核心[14]。因此，為了進(jìn)一步提升鋰硫電池的能量密度，歸根結(jié)底是要提升電池單位體積內(nèi)硫的負(fù)載量，還要從材料設(shè)計(jì)和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)層面來(lái)協(xié)同提升電池體積能量密度。首先要發(fā)展新的電極材料的制備科學(xué)，提升復(fù)合材料中硫含量；二是要盡量提高極片上電極材料的用量，進(jìn)而提升單位體積內(nèi)活性物質(zhì)的負(fù)載量。然而由于目前普遍采用的硫碳復(fù)合電極密度較低，如果一味地增大電極厚度，并不能有效提升負(fù)載量。提升極片密度，實(shí)現(xiàn)極片“厚”且“密”的要求，才能從根本上實(shí)現(xiàn)在有限的器件體積內(nèi)發(fā)揮納米材料的高電化學(xué)活性?xún)?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)能的要求。但是，通過(guò)涂覆、壓片、輥壓等方式提升電極密度與厚度，會(huì)造成納米材料本身的團(tuán)聚和充放電過(guò)程中較大的離子傳輸阻礙。也就是說(shuō)，充放電過(guò)程中電解質(zhì)離子很難進(jìn)入厚密電極的內(nèi)部，從而造成了電極材料的利用率低、容量較低和極化較大，進(jìn)而影響了整個(gè)器件的能量輸出。因此，減少外力作用對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)破壞的同時(shí)，又能保證電極的致密化結(jié)構(gòu)是亟需解決的問(wèn)題。同時(shí)，厚密電極的孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究電解質(zhì)離子與充放電產(chǎn)物在厚密電極中的傳輸行為，對(duì)提升鋰硫電池的能量密度也具有重大意義。

本文從鋰硫電池正極的材料設(shè)計(jì)和電極優(yōu)化角度出發(fā)，對(duì)目前鋰硫電池致密儲(chǔ)能的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)述，從材料制備科學(xué)角度提出了實(shí)現(xiàn)鋰硫電池致密儲(chǔ)能的材料設(shè)計(jì)原則，以石墨烯為結(jié)構(gòu)單元，通過(guò)液相組裝構(gòu)建高密度硫/碳復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)能的有效途徑，并對(duì)高體積能量密度鋰硫電池所面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、構(gòu)建高體積容量電極

目前針對(duì)致密儲(chǔ)能的發(fā)展，多數(shù)研究將目光聚焦在超級(jí)電容器中碳基電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和器件集成，而對(duì)于同樣以碳納米材料作為關(guān)鍵組分的鋰硫電池則似乎缺乏足夠的重視。一方面是由于硫的質(zhì)量能量密度遠(yuǎn)高于目前的鋰電正極材料，研究者主要關(guān)注鋰硫電池的質(zhì)量能量密度；另一方面由于碳納米材料不作為活性物質(zhì)參加電池反應(yīng)，研究者們忽略了從碳材料的角度去思考如何提高電池體積能量密度。國(guó)內(nèi)外部分研究者在對(duì)如何構(gòu)建高體積能量密度鋰硫電池電極材料方面已經(jīng)開(kāi)展了前期探索，特別是國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者較早意識(shí)到鋰硫電池致密儲(chǔ)能的重要性，從含硫電極材料設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，制備具有高體積能量密度的電極材料。前文已述，提高電池體積能量密度的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)電極材料的致密化。硫的密度在2.0 g/cm3左右，而碳納米材料的密度一般在0.3～0.6 g/cm3，因此通過(guò)提高硫活性物質(zhì)在整體電極中的比例和實(shí)現(xiàn)碳納米材料致密化是構(gòu)建高密度硫/碳電極的兩條主要路徑[14,16-19]。清華大學(xué)的ZHANG等[20]率先開(kāi)展了鋰硫電池體積能量密度的研究，他們通過(guò)向具有良好垂直陣列結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列中填充硫，獲得硫負(fù)載量高達(dá)90%的硫/碳復(fù)合材料，所得材料密度可以高達(dá)1.98 g/cm3，并考察了不同密度電極材料與對(duì)應(yīng)體積能量密度之間的構(gòu)效關(guān)系，其體積比容量達(dá)到了1116 mA·h/cm3。一般情況下，過(guò)高的含硫量會(huì)降低電極材料的導(dǎo)電性，進(jìn)而影響電池性能，因此必須利用具有高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的碳納米材料。上述工作所采用的良好陣列結(jié)構(gòu)的碳管具有良好的導(dǎo)電性以及結(jié)構(gòu)均一性，為高硫含量電極材料的電子和離子傳輸提供了良好的路徑，該研究也開(kāi)啟了鋰硫電池致密儲(chǔ)能的篇章?；谏鲜龉ぷ鳎琙HANG等[21]以硫/碳納米管復(fù)合材料作為模型材料，考察了不同電極厚度對(duì)電池面容量的影響。隨著電極厚度的增加，極片硫含量從0.32 mg/cm2上升到4.7 mg/cm2，所對(duì)應(yīng)的電極面容量也呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)，而電極過(guò)厚所帶來(lái)的傳質(zhì)問(wèn)題是導(dǎo)致電極性能下降的主要因素。

從器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度，我們課題組針對(duì)碳納米材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用，提出了石墨烯基“厚密”電極用于致密儲(chǔ)能的基本思想，通過(guò)采用氯化鋅作為造孔劑，實(shí)現(xiàn)了石墨烯基高密度多孔碳材料孔隙結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控：其比表面積在360～ 1000 m2/g，密度在1.6～0.6 g/cm3的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，當(dāng)電極厚度達(dá)到400 μm時(shí)，器件的體積能量密度高達(dá)65 W·h/L，實(shí)現(xiàn)了電極孔隙結(jié)構(gòu)、密度和電極厚度的平衡，是高體積能量密度儲(chǔ)能器件的重要進(jìn)展[22]。ZHANG等[23]也從器件結(jié)構(gòu)角度系統(tǒng)研究了電極厚度對(duì)鋰硫電池性能的影響，通過(guò)對(duì)硫/碳復(fù)合電極進(jìn)行不同壓縮度的輥壓，構(gòu)建了具有不同孔隙結(jié)構(gòu)和厚度的電極，當(dāng)壓縮度達(dá)到60.6%時(shí)，其電極材料體積能量密度達(dá)到850 W·h/L。

上述研究分別從材料和器件的角度對(duì)鋰硫電池致密儲(chǔ)能開(kāi)展了研究，主要集中在提高電極硫含量以及構(gòu)建“厚密”電極（圖1）。但是作為電子和離子傳輸框架的碳納米材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化同樣至關(guān)重要，特別是在高硫含量、致密化電極中，碳納米材料的骨架結(jié)構(gòu)和與硫的接觸效率成為了保障電池性能的關(guān)鍵，因此電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法對(duì)于電池的最終性能至關(guān)重要。

Fig.1 Three traditional approaches to realize the compact energy storage of Li-S battery and their corresponding performance: (a, d) improving the sulfur content[20]; (b, e) improving the thickness of electrode[21]; (c, f) compressing the electrode[23]

2 基于石墨烯組裝、實(shí)現(xiàn)碳網(wǎng)絡(luò)致密 化設(shè)計(jì)

在保持高的硫含量的同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)碳納米材料的致密化結(jié)構(gòu)也是構(gòu)建高體積能量密度鋰硫電池的關(guān)鍵，而這其中的關(guān)鍵問(wèn)題在于碳納米材料致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建以及與硫的高效接觸。石墨烯具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和良好的電子導(dǎo)電性，而且是眾多碳納米材料的基元結(jié)構(gòu)[24-25]，可以有效構(gòu)筑具有不同微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)的碳納米材料，實(shí)現(xiàn)功能導(dǎo)向的碳功能材料制備，優(yōu)化鋰硫電池的電子和離子傳輸過(guò)程，大幅提高其整體性能[26-27]。另外，石墨烯由于其良好的可加工性及其組裝體的可塑性，也為構(gòu)建高體積容量鋰硫電池正極材料帶來(lái)了曙光。在前期工作中，我們課題組通過(guò)氧化石墨烯的液相自組裝構(gòu)建了石墨烯三維水凝膠，并采用毛細(xì)蒸發(fā)法調(diào)控水凝膠的介觀織構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了溶劑驅(qū)動(dòng)的材料致密化，有效平衡了材料的密度和孔隙結(jié)構(gòu)的矛盾，獲得了具有高比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)和高密度（約1.58 g/cm3）的新型碳納米材料，考察其作為超級(jí)電容器致密儲(chǔ)能電極材料的性能，其體積比容量可達(dá)376 F/cm3 [28]。我們以此材料的制備策略為基礎(chǔ)，從不同角度對(duì)高體積容量?jī)?chǔ)能材料展開(kāi)研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控和多組分摻雜，發(fā)展了多種實(shí)現(xiàn)致密儲(chǔ)能的高性能電極材料[22,29-32]?；谑┗旅芑牧?，通過(guò)有效的硫復(fù)合工藝，是構(gòu)建鋰硫電池致密儲(chǔ)能電極材料的有效策略。然而由于硫本身不溶于水的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的硫/石墨烯制備方法是利用溶解-擴(kuò)散，即熱熔法或者有機(jī)溶劑溶解法（二硫化碳、甲苯等），這些方法耗時(shí)長(zhǎng)、操作復(fù)雜、危險(xiǎn)性高，同時(shí)由于硫的分散是一個(gè)“由外向內(nèi)”的擴(kuò)散過(guò)程，很難保證硫的均勻分散以及與石墨烯片層的緊密接觸。通過(guò)液相進(jìn)行石墨烯的組裝，獲得功能導(dǎo)向性的石墨烯組裝體，工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用領(lǐng)域廣、易于放大。將石墨烯的液相自組裝與硫的液相原位沉積結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)硫/石墨烯材料的液相制備，并進(jìn)一步通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控來(lái)獲得致密化硫/石墨烯雜化材料，是實(shí)現(xiàn)致密化鋰硫電池儲(chǔ)能發(fā)展的有效途徑。ZHANG等[33]采用與我們構(gòu)建致密化電極材料類(lèi)似的思路，在低溫下通過(guò)含硫化合物的氧化還原反應(yīng)在石墨烯水凝膠的片層上沉積硫納米顆粒，并進(jìn)一步利用溶劑蒸發(fā)的方式有效調(diào)控了硫/石墨烯電極材料的密度，材料最高密度可達(dá)1.265 g/cm3。這種方法制備的致密材料相比于松散結(jié)構(gòu)的電極材料，對(duì)于多硫化物具有更好的限域作用，其體積比容量和質(zhì)量比容量都得到大幅度提升。該方法在溶液相中利用硫化物的氧化還原作用，實(shí)現(xiàn)了硫/石墨烯在液相中的制備，但是其工藝較為復(fù)雜，容易引入雜原子。本文作者研究小組[34]基于氧化石墨烯的表面化學(xué)，在硫/石墨烯材料的溶液相制備科學(xué)和致密儲(chǔ)能方面做出了獨(dú)創(chuàng)性工作。以硫化氫為還原劑在液相中原位實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯在溫和條件下的低溫有效還原，并同步實(shí)現(xiàn)了硫在石墨烯表面的原位均勻沉積，獲得了一種具有豐富褶皺結(jié)構(gòu)的硫/石墨烯雜化材料。所得材料作為鋰硫電池正極材料，在0.2 A/g 電流密度下，其放電容量可達(dá)950 mA·h/g，同時(shí)還顯示出了良好的循環(huán)性能以及倍率特性，為實(shí)現(xiàn)高性能鋰硫電池電極材料的制備提供了新方向。該方法實(shí)現(xiàn)了硫化氫的高效回收、石墨烯的低溫還原以及鋰硫電池電極材料的液相制備，是環(huán)境與能源的有機(jī)結(jié)合，大大降低了硫碳復(fù)合電極材料的制備成本，簡(jiǎn)化了制備工藝，并通過(guò)液相原位制備提高了材料的均一性，有望進(jìn)一步推動(dòng)鋰硫電池的規(guī)?；瘧?yīng)用。然而該方法所得電極材料的密度仍有較大提高的空間，其孔隙結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。在上述工作的基礎(chǔ)上，我們通過(guò)硫化氫對(duì)氧化石墨烯表面化學(xué)的精確調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯還原程度的可控調(diào)節(jié)和硫化氫的原位負(fù)載，進(jìn)而改變石墨烯的親疏水特性，實(shí)現(xiàn)了硫/石墨烯片層在溶液相中的三維自組裝[29]。利用對(duì)溶劑脫除方式的調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)硫/石墨烯雜化宏觀體材料微觀結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，獲得了具有“燒麥”型孔結(jié)構(gòu)的高密度硫/石墨烯雜化材料，其密度可達(dá)1.53 g/cm3，其獨(dú)特的“燒麥”型孔結(jié)構(gòu)是典型的“墨水瓶”型孔，具有“大肚-細(xì)口”的結(jié)構(gòu)特征，在石墨烯片層收縮的過(guò)程中將硫包裹在孔中，可以保證鋰離子的快速傳質(zhì)而同時(shí)限制多硫化物從孔內(nèi)逃逸，實(shí)現(xiàn)了“大容量和長(zhǎng)循環(huán)”的電化學(xué)行為。在質(zhì)量比容量近似的情況下，高密度材料顯示出高出低密度材料近三倍的體積比容量，同時(shí)表現(xiàn)出更加優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，為構(gòu)建高體積能量密度鋰硫電池提供了行之有效的電極制備思路，也為鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（圖2）。然而電極材料的致密化在器件應(yīng)用中并不需要一味追求高的密度，從材料角度，電極的體積比容量是質(zhì)量比容量和電極密度共同作用的結(jié)果，因此還需要平衡電極中的離子傳輸問(wèn)題，使得材料的質(zhì)量比容量和材料密度達(dá)到良好的平衡，使體積比容量最優(yōu)化。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)干燥過(guò)程的有效調(diào)控，利用冷凍干燥和毛細(xì)蒸發(fā)的協(xié)同作用，獲得了具有不同孔徑分布和不同密度的硫/石墨烯雜化材料，對(duì)孔結(jié)構(gòu)和密度以及電化學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化，保證了高的材料密度、快速的傳質(zhì)通道以及對(duì)硫的體積膨脹和多硫化物溶解的良好限域作用[35-36]。

硫碳復(fù)合材料的液相制備能夠使硫與碳納米材料具有更為充分的接觸狀態(tài)，也為后續(xù)材料整體的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供便利條件，同時(shí)材料的均相制備也為實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的電極材料的宏量制備提供了解決方案。然而利用硫化氫與氧化石墨烯的氧化還原反應(yīng)制備電極材料的方法仍具有一定的局限性，如反應(yīng)物具有一定的單一性，硫含量的調(diào)節(jié)受前驅(qū)體及反應(yīng)條件制約較大等。因此，如果能夠開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)化化學(xué)反應(yīng)歷程、碳材料前驅(qū)體多元化的溶液相制備方法，將能夠極大程度地推動(dòng)鋰硫電池電極材料的工業(yè)化應(yīng)用，為高性能鋰硫電池的低成本應(yīng)用提供新的思路。在前文開(kāi)發(fā)的以硫化氫為還原劑的溶液相制備方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)硫/碳復(fù)合材料溶液相制備方法的優(yōu)化和升級(jí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的規(guī)?；瘧?yīng)用至關(guān)重要。目前也進(jìn)一步發(fā)展了鋰硫電池電極材料的溶液相制備，獲得了具有高分散性硫納米顆粒，作為硫正極顯示出了良好的本征電化學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)與不同碳納米材料的有效復(fù)合，考察了其通過(guò)液相方法制備碳硫雜化材料的可行性，證明了高分散性硫及溶液相制備方法的高效性及其在鋰硫電池規(guī)?；瘧?yīng)用中的潛力。

3 結(jié)論和展望

鋰硫電池作為下一代高能量?jī)?chǔ)能電池，其基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)都在如火如荼地進(jìn)行著。通過(guò)構(gòu)建高體積容量?jī)?chǔ)能材料實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的致密儲(chǔ)能，是鋰硫電池未來(lái)發(fā)展的方向，也是推動(dòng)碳納米材料實(shí)用化進(jìn)程的重要手段。致密化儲(chǔ)能材料和器件的研究已經(jīng)在超級(jí)電容器領(lǐng)域廣泛開(kāi)展，其也必將成為鋰硫電池未來(lái)研究的重點(diǎn)。以應(yīng)用和器件為頂層設(shè)計(jì)，通過(guò)材料、電極、器件集成幾個(gè)不同層次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰硫電池致密儲(chǔ)能至關(guān)重要。要進(jìn)一步開(kāi)展鋰負(fù)極研究工作，提高電池安全性和能量密度；要加快推進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)，發(fā)展全固態(tài)鋰硫電池，實(shí)現(xiàn)高安全性和超薄柔性電池的構(gòu)建，降低非活性組分（隔膜、電解液、封裝材料）所占體積分?jǐn)?shù)，解決從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用的“最后一公里”問(wèn)題。特別是針對(duì)高能量電池的未來(lái)應(yīng)用，除了在民用的電動(dòng)車(chē)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，高體積能量密度鋰硫電池在海洋（潛艇、船只、海洋深潛探測(cè)器等）、航天（無(wú)人飛行器、太空站等）等極端應(yīng)用環(huán)境和有限應(yīng)用空間內(nèi)的作用將會(huì)越來(lái)越重要。從新的材料制備策略出發(fā)，通過(guò)電極優(yōu)化與器件匹配的層層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)材料研究和器件加工的統(tǒng)一集成，是實(shí)現(xiàn)鋰硫電池以及其它器件致密儲(chǔ)能的必由之路。

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Construction of Li-S battery with high volumetric performance: Materials and electrode

1,2,3,1,2,3

(1School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, Guangdong, China)

The emergence of lithium-sulfur (Li-S) battery accelerates the development of high-energy energy storage devices, but the intrinsic properties of sulfur are the bottlenecks for high-performance Li-S battery. The employment of conductive carbon nanomaterials improves the performance of sulfur electrode significantly, while the energy density both calculated from mass or volume is far below the expected value. Densified sulfur/carbon electrode with high sulfur content is the key to solve this issue, and starting from the materials design to densify the materials, the electrode and lighten the device is a promising principle to pave the avenue towards compact Li-S battery. This contribution discusses the research principles for compact energy storage in Li-S battery, and proposes the solution-based assembly as the high-efficiency approach to realize the high volumetric performance. The recent advances for high-volumetric performance Li-S battery are presented here and future application of Li-S batteries in marine science and aerospace science is commented.

Li-S battery; graphene; volumetric performance; solution-based construction

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0026

TQ 028.8

A

2095-4239（2017）03-550-07

2017-03-18；

2017-03-29。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51602220，U1401243）。

張辰（1988—），男，講師，主要研究方向?yàn)樘蓟δ懿牧显趦?chǔ)能、海洋環(huán)保中的應(yīng)用，E-mail：zhangc@tju.edu.cn；

楊全紅，教授，主要研究方向?yàn)樘脊δ懿牧?，E-mail：qhyangcn@tju.edu.cn。