莊林

武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢 430072

隨著移動(dòng)電子設(shè)備和新能源汽車的飛速發(fā)展，可充電池技術(shù)越來越受到重視。而目前應(yīng)用最為廣泛的鋰離子電池，其能量密度仍然較低(～200 Wh·kg-1)，且安全性較差。開發(fā)新型電池體系及電極材料越來越受到關(guān)注。

鋰硒電池作為一種高體積能量密度的新型電池體系，成為近年來研究的熱點(diǎn)。鋰硒電池具有高達(dá)3253 mAh·cm-3理論體積比容量1，并且硒(1 ×10-3S·m-1)的電子電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于硫(5 × 10-28S·m-1)。鋰硒電池在體積受限的領(lǐng)域(如手機(jī)、電動(dòng)汽車等)中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

雖然鋰硒電池有較高的體積能量密度，但其循環(huán)壽命和目前商業(yè)化的鋰離子電池相比還相差甚遠(yuǎn)。這主要是由于鋰硒電池在充放電循環(huán)過程中存在著類似鋰硫電池的穿梭效應(yīng)2，即在充放電過程中，溶解在電解液中的高聚硒化物會(huì)穿過隔膜擴(kuò)散到鋰負(fù)極，與金屬鋰發(fā)生副反應(yīng)。這種穿梭效應(yīng)導(dǎo)致了鋰硒電池較快的容量衰減，較差的循環(huán)性能和較低的庫(kù)侖效率3。如何設(shè)計(jì)鋰硒電池正極材料來抑制這種穿梭效應(yīng)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

此外，鋰硒電池對(duì)于不同的電解液表現(xiàn)出不同的反應(yīng)機(jī)理。在醚基電解液中，鋰硒電池的鋰化/脫鋰過程與鋰硫電池中的逐步反應(yīng)機(jī)制幾乎相同，多硒化物也可溶于醚類電解液4。而在碳酸鹽基電解液中，放電期間硒直接被還原為硒化鋰，可有效抑制穿梭效應(yīng)5。

鋰硒電池的另外一個(gè)問題就是鋰離子在硒正極中的擴(kuò)散速率較低，導(dǎo)致了硒正極的利用率不高，倍率性能較差。眾所周知6,7，電極材料中的鋰離子擴(kuò)散時(shí)間(T)由其擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度(L)和擴(kuò)散系數(shù)(D)決定(T = L2/D)。在擴(kuò)散系數(shù)很難大幅度提高的情況下，要縮短擴(kuò)散時(shí)間，最好的方法就是縮短擴(kuò)散長(zhǎng)度。這意味著可以通過減小材料尺寸來縮短鋰離子的擴(kuò)散時(shí)間，從而提高其反應(yīng)活性和動(dòng)力學(xué)。

針對(duì)以上問題，許多研究小組近幾年在設(shè)計(jì)新型納米結(jié)構(gòu)硒正極，選擇適配電解液和抑制穿梭效應(yīng)方面做了諸多嘗試，取得了顯著進(jìn)展，有效提高了鋰硒電池的循環(huán)壽命和倍率性能。鑒于此研究領(lǐng)域的重要性，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系周永寧教授等人針對(duì)鋰硒電池正極材料的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201806062)8。該綜述討論了鋰硒電池的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，著重介紹了硒-碳復(fù)合正極材料的研究進(jìn)展，從一維、二維和三維結(jié)構(gòu)的角度，分析了硒基正極材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，最后深入探討了鋰硒電池的反應(yīng)機(jī)理及其與電解液的相關(guān)性，并展望了鋰硒電池的未來發(fā)展方向。該工作對(duì)于該研究領(lǐng)域未來的研究方向具有重要的啟發(fā)意義。