蘆 濤，韓鵬獻(xiàn)，張?jiān)銎妫鹩莱?，崔光?

(1.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101；2.中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引言

自從1991年商業(yè)化以來(lái)，鋰離子電池得到了充分的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及便攜式電子設(shè)備、新能源汽車、規(guī)模儲(chǔ)能，航空航天、深海探測(cè)、醫(yī)療、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域。隨著科技水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)電池的性能提出了更高要求。目前市場(chǎng)上商品化的鋰離子電池能量密度較低(250 Wh·kg-1)，與人們對(duì)能源需求日益提高的現(xiàn)狀之間矛盾愈加激烈，因此尋求更高能量密度的電池體系勢(shì)在必行。在眾多電化學(xué)儲(chǔ)能器件中，鋰硫電池因其高能量密度、較低的成本受到研究者的青睞。鋰硫電池正極的理論比容量高達(dá)1 675 mAh·g-1，理論計(jì)算其質(zhì)量能量密度為2 600 Wh·kg-1，體積能量密度為2 800 Wh·kg-1[1-3]。但在實(shí)際應(yīng)用中考慮到電池外殼、液-硫比、集流體等影響重量的因素，要提高能量密，活性物質(zhì)硫必須在整個(gè)電池中占據(jù)較大的比重，也即鋰硫電池必須具有高載硫量的正極[4]。

鋰硫電池的固有缺陷嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程，硫元素在被還原過(guò)程中會(huì)形成多硫化物，多硫化物易溶于醚類電解液中，造成活性物質(zhì)的損失；同時(shí)多硫化物溶于電解液中，會(huì)通過(guò)隔膜達(dá)到鋰負(fù)極被鋰金屬還原為低價(jià)態(tài)的硫化物，此過(guò)程并不會(huì)為鋰硫電池貢獻(xiàn)能量，從而造成鋰負(fù)極的損失；沉積在鋰負(fù)極表面的硫化鋰絕緣性高，阻礙了鋰離子的擴(kuò)散；另外，正極中硫的鋰化會(huì)引起明顯的體積膨脹(ρS=2.03 g·cm-3，ρLi2S=1.66 g·cm-3)，容易造成硫從集流體剝離[5-9]。而在較高載硫量的正極中，這種缺陷更加明顯，進(jìn)一步阻礙了鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用[10]。

為了克服高載硫量工況下鋰硫電池固有的缺陷，研究者做了大量的工作，主要集中在復(fù)合正極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粘合劑、隔膜和集流體等方面，以達(dá)到控制穿梭效應(yīng)、抑制硫活性材料體積膨脹、避免正極破損的效果。本文概括了高載硫量鋰硫電池近年來(lái)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)鋰硫電池的研究方向進(jìn)行了前瞻性討論。

2 復(fù)合正極材料的設(shè)計(jì)

2.1 碳材料-硫復(fù)合正極

通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的碳材料固定硫，形成碳-硫(C/S)復(fù)合正極能夠增加正極材料的導(dǎo)電性，同時(shí)碳材料對(duì)活性物質(zhì)的體積膨脹及多硫化物的穿梭有抑制作用，可以一定程度上提升高載硫量鋰硫電池的性能。

Manthiram等[11]通過(guò)一種簡(jiǎn)單的模板真空過(guò)濾法構(gòu)筑了一種“雞蛋”結(jié)構(gòu)的C/S復(fù)合正極材料，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合正極上下兩層都用碳納米纖維覆蓋活性物質(zhì)，且其邊緣利用真空封端，能夠牢牢的束縛住硫，避免了其流失，也能在最大程度上抑制多硫化物的穿梭。另外，在電池循環(huán)過(guò)程中，碳納米纖維既充當(dāng)集流體又可以吸附電解液，為離子和電子的傳輸提供便利，同時(shí)能夠吸附多硫化物。最后，此種結(jié)構(gòu)中無(wú)粘合劑的存在，減輕了電池的重量，并能抑制活性物質(zhì)的體積膨脹。利用這種方法能夠構(gòu)造出含硫量為2～32 mg·cm-2的正極。載硫量為32 mg·cm-2時(shí)，0.1 C倍率下循環(huán)100圈，正極比容量為300 mAh·g-1，容量保持率為60%左右，庫(kù)倫效率保持在95%以上。

Elton J.Cairns等[12]用冷凍干燥法制備出了溴化十六烷基三甲基胺修飾的硫/氧化石墨烯/碳納米管復(fù)合正極材料(S-GO-CTA-CNT)。實(shí)驗(yàn)證明，此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合正極材料有利于Li2S的均勻沉積，對(duì)活性物質(zhì)的充分利用和電池循環(huán)性能的提升均有有利作用。利用泡沫鋁為集流體，構(gòu)造出了三維正極材料，氧化石墨烯和碳納米管能夠維持正極材料的結(jié)構(gòu)完整性，構(gòu)造出含硫量為11.5 mg·cm-2的硫正極，并能在0.2 mA·cm-2的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)10圈，比容量保持在900 mAh·g-1，容量保持率為76%左右。

圖1 雞蛋型C/S復(fù)合正極結(jié)構(gòu)制備示意圖Fig.1 Fabrication Processes of the Poached-Egg-Shaped cathode.

Li等[13]構(gòu)筑了一種硫脲基共價(jià)有機(jī)凝膠-硫-碳納米管自支撐復(fù)合材料正極體系(CNT/S/COG)，將形成凝膠結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體均勻分散到CNT/S混合體系中，原位形成CNT/S/COG體系，活性物質(zhì)硫在整個(gè)正極的分布更加均勻，有利于提高活性物質(zhì)的利用率；緊密交織的CNT在凝膠內(nèi)部的空穴中形成了鑲嵌式導(dǎo)電網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為離子和電子的傳輸提供便利，并且能夠浸潤(rùn)電解液，而凝膠結(jié)構(gòu)在高載硫量的情況下仍然能夠保持高彈態(tài)，在柔性電池領(lǐng)域有較大的而應(yīng)用前景。且凝膠結(jié)構(gòu)可以很好地將多硫化物束縛在其內(nèi)部空穴中，電池表現(xiàn)出良好的循環(huán)壽命和倍率性能，在正極載硫量為12.6 mg·cm-2時(shí)，扣式電池能夠穩(wěn)定循環(huán)100圈，0.1 C倍率下比容量保持在913 mAh·g-1，容量保持率為84%。

此外分級(jí)碳納米管陣列/S復(fù)合正極[14]、多層聚合物膜/氧化石墨烯/硫自支撐正極[15]、碳化木棉纖維/S復(fù)合正極[16]、多峰態(tài)分布的多孔碳/S復(fù)合正極[17]、碳纖維/硫復(fù)合正極[18]、分級(jí)多孔碳纖維/硫復(fù)合正極[19]等也能有效地提高鋰硫電池正極載硫量，并且能在電池循環(huán)中保持正極結(jié)構(gòu)的完整性，一定程度上抑制多硫化物的穿梭及活性材料體積膨脹，提升鋰硫電池的循環(huán)壽命和倍率性能。

2.2 金屬化合物-硫復(fù)合正極材料

極性的金屬化合物可以與多硫化物之間形成較強(qiáng)作用力，能夠吸附住多硫化物防止穿梭效應(yīng)，且金屬原子的d帶構(gòu)型可降低多硫化物與硫化鋰之間相互轉(zhuǎn)化位壘，提高其氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。Wang等[20]制備了多孔層狀導(dǎo)電氮化釩材料作為鋰硫電池正極活性物質(zhì)載體，多孔和層狀結(jié)構(gòu)可以容納更多的硫，VN可以有效地吸附多硫化物并催化其氧化還原反應(yīng)，且其導(dǎo)電性較高，有利于活性材料的充分利用。當(dāng)正極含硫量為12.6 mg·cm-2時(shí)，0.1 C倍率下循環(huán)100圈后比容量為518 mAh·g-1。

2.3 碳材料/金屬-硫復(fù)合正極材料

碳材料一般為非極性材料，主要通過(guò)范德華力或者物理阻隔等方式與多硫化物相互作用，從而達(dá)到抑制多硫化物的穿梭的作用。但僅僅靠這種吸附作用是不夠的，因此將金屬化合物與碳材料聯(lián)用負(fù)載活性物質(zhì)硫，一般來(lái)說(shuō)其中的金屬化合物對(duì)多硫化物具有較強(qiáng)的作用力，且能催化其向Li2S的轉(zhuǎn)化。此設(shè)計(jì)方法能夠結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，也是高載硫量正極材料的研究熱點(diǎn)。

Antonio Tricoli等[21]用金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電聚合物水凝膠結(jié)合，構(gòu)造出了一種含硫量較高的正極，該體系的骨架結(jié)構(gòu)為N、P共修飾的3D多級(jí)碳材料構(gòu)成，其中均勻地鑲嵌了與鈷離子結(jié)合的有機(jī)金屬骨架材料(ZIF-67)或與銅離子結(jié)合的有機(jī)金屬骨架材料(HKUST-1)，如圖2所示。ZIF-67引入能使得整個(gè)正極材料的含硫量達(dá)到17.6 mg·cm-2，HKUST-1則能使得正極材料的含硫量達(dá)到18.8 mg·cm-2，框架結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)為硫的負(fù)載提供了空間，且其具有優(yōu)異的機(jī)械性能和彈性，N、P的摻雜為體系提供了多余的自由電子以提高基體的導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)證明得益于其合適的粒徑，HKUST-1吸附多硫化物的能力更強(qiáng)，可以有效地抑制多硫化物的溶解，提高電池的循環(huán)壽命。在正極含硫量為18.8 mg·cm-2時(shí)，0.2 C倍率充放電，扣式鋰硫電池可以穩(wěn)定循環(huán)300圈，容量保持率保持在82%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

Manthiram等[22]制備了一種“Pie”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其中泡沫鎳為內(nèi)核結(jié)構(gòu)，由碳納米管與碳纖維交織而成的材料為殼，以含有1 M的Li2S6溶液為陰極電解液作為活性物質(zhì)。在此正極體系中，泡沫鎳與碳材料都具有多孔性和較好的導(dǎo)電性可以起到集流體的作用，能夠快速傳導(dǎo)電子并能為存儲(chǔ)多硫化物提供空間；泡沫鎳能夠有效地吸附多硫化物，并能高效地催化多硫化物的氧化還原反應(yīng)，防止多硫化物擴(kuò)散進(jìn)入電解液；而周圍的碳材料則對(duì)多硫化物的擴(kuò)散起到物理抑制作用，將活性物質(zhì)控制在正極體系內(nèi)部，且核殼之間連接緊密。利用這種方法制備的正極含硫量高達(dá)40 mg·cm-2，且其扣式電池表現(xiàn)出了較好的循環(huán)壽命和倍率性能。在0.2 C倍率下，電池可以較為穩(wěn)定地循環(huán)100圈，比容量保持在669 mAh·g-1，容量保持率為65%左右。

Luo等[23]通過(guò)水熱法制備了VS4/GO復(fù)合材料作為活性物質(zhì)載體，此種結(jié)構(gòu)的多級(jí)孔狀結(jié)構(gòu)能夠容納較多的活性物質(zhì)，且對(duì)多硫化物的擴(kuò)散起到物理抑制的作用。相互連通的3D導(dǎo)電通道有利于電子和離子的傳輸提高活性物質(zhì)利用率；VS4的存在能夠較好地吸附多硫化物并催化其氧化還原反應(yīng)，與石墨烯一起能夠有有效地抑制多硫化物的擴(kuò)散；正極體系的高彈性能夠承受活性物質(zhì)的體積膨脹，保持在電池循環(huán)過(guò)程中的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；沒(méi)有單獨(dú)的集流體和粘合劑電池重量更輕，有利于提高重量能量密度。以上這些優(yōu)點(diǎn)賦予了其扣式電池的優(yōu)良性質(zhì)，利用Li2S6作為活性物質(zhì)滴加入負(fù)載材料中，得到含硫量為12.6 mg·cm-2的正極材料體系，其扣式電池在0.1 C倍率下循環(huán)100圈后容量保持在518.8 mAh·g-1。

Zhong等[24]制備了一種自支撐的氮摻雜石墨烯/TiN復(fù)合氣凝膠用于活性物質(zhì)硫的載體，此種結(jié)構(gòu)的正極材料避免了集流體和粘合劑的使用，且氣凝膠本身較輕可以減少正極的重量，載體本身的多孔結(jié)構(gòu)為電荷轉(zhuǎn)移提供了便利，同時(shí)能夠容納更多的活性物質(zhì)，而其中的TiN可以有效地吸附多硫化物且能提高多硫化物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)過(guò)程。利用此結(jié)構(gòu)為載體制備的正極材料含硫量高達(dá)20 mg·cm-2，其扣式電池在2.0 mA·cm-2的電流密度下，循環(huán)100圈后的容量保持率為86%左右。

其他工作如表1所列。

表1 碳材料/金屬化合物-硫復(fù)合材料正極及電池性能Table 1 Carbon/Metal compounds-S cathode and the performance of the batteries.

3 粘合劑

粘合劑是鋰硫電池正極材料體系中非常重要的組分，合適的粘合劑不僅可以將活性物質(zhì)與導(dǎo)電劑很好地結(jié)合在一起，提升硫負(fù)載量，還可以與集流體牢靠地結(jié)合在一起，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)能夠很好地承受活性物質(zhì)的體積膨脹。另外，特殊設(shè)計(jì)的粘合劑自身所帶的官能團(tuán)能吸附多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)，提升電池的性能。

Chen等[42]將單寧酸和聚環(huán)氧乙烷作為復(fù)合粘合劑應(yīng)用到鋰硫電池當(dāng)中。研究表明，單寧酸中的酚羥基能與聚環(huán)氧乙烷中的醚鍵相互作用，抑制聚環(huán)氧乙烷的結(jié)晶，形成3D交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的存在能夠大大提升粘合劑的粘附力。復(fù)合粘合劑存在大量的官能集團(tuán)可以形成氫鍵和交聯(lián)結(jié)構(gòu)，與純PVDF相比，粘附力能提高7倍，在鋰硫電池循環(huán)過(guò)程中可以有效地抑制正極活性材料體積膨脹，保持正極的完整性；且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在更有利于絕緣性的硫與導(dǎo)電劑的結(jié)合有利于電子傳輸，而其中的PEO組分有利于離子的傳導(dǎo)；復(fù)合粘合劑中存在大量的含氧位點(diǎn)，可以大量吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭；在正極載硫量為5 mg·cm-2時(shí)表現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)壽命。

Manthiram等人[43]制備了一種雙功能基團(tuán)的粘合劑，該粘合劑結(jié)合了聚環(huán)氧乙烷的鏈狀結(jié)構(gòu)，且端部為馬來(lái)酸封端結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)為高載硫量提供適應(yīng)性，而馬來(lái)酸結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)可以在電池循環(huán)中有效地吸附多硫化物，防止穿梭效應(yīng)的產(chǎn)生，吸附力強(qiáng)，在多圈循環(huán)后硫正極仍能保持完好。使用壓縮碳紙做集流體，可以制備出載硫量高達(dá)12 mg·cm-2的正極片，0.2 C下循環(huán)100圈后容量保持在58%左右。

Ye等[44]將商用水性粘合劑PVA用于硫正極的制備。PVA中的羥基對(duì)多硫化物的吸附能比PVDF高將近五倍，且與活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑粘結(jié)力更強(qiáng)，能夠更好地抑制活性材料的體積膨脹，當(dāng)正極片載硫量為10.5 mg·cm-2時(shí)也能有較完整形貌。在0.2 C倍率下，200圈循環(huán)后比容量保持在400 mAh·g-1左右。

Mahdokht Shaibani等[45]使用了一種高模量的粘合劑體系，該研究利用傳統(tǒng)粘合劑CMC，但在制備過(guò)程中改變以往粘合劑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以覆蓋正極體系中的活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑的觀念，進(jìn)而發(fā)展為一種橋狀結(jié)構(gòu)以連接相鄰活性物質(zhì)或?qū)щ妱╊w粒的體系(如圖3所示)。這種結(jié)構(gòu)體系能有更大的自由體積能承受循環(huán)過(guò)程中更強(qiáng)的內(nèi)應(yīng)力，且此種結(jié)構(gòu)下粘合劑粘結(jié)力更強(qiáng)，在硫元素負(fù)載量高達(dá)20 mg·cm-2時(shí)也能保持正極片的完整性，載硫量為13 mg·cm-2的鋰硫扣式電池0.1 C倍率下能夠穩(wěn)定循環(huán)50圈，正極比容量保持在1 100 mAh·g-1左右。

圖3 橋梁結(jié)構(gòu)、傳統(tǒng)網(wǎng)狀覆蓋結(jié)構(gòu)體系掃描電鏡圖及示意圖Fig.3 SEM images (a) (b) and schematic diagram (c) of web-like bridging bonds structure of the binder;SEM images (c) (d) and schematic diagram of traditional network of the binder.

黃原膠與瓜爾豆膠都屬于天然的高分子[46]，將二者混合后，由于分子間官能集團(tuán)較強(qiáng)的鍵合作用，使得其形成強(qiáng)勁的雙聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瓜爾豆膠中含有β-D-吡喃甘露糖基團(tuán)和α-D-半乳吡喃糖基，而瓜爾豆膠中含有D-葡萄糖基、D-甘露糖基、D-葡萄糖苷酸基，在極性溶劑中黃原膠的疏水骨架和分子內(nèi)分子間的氫鍵作用會(huì)形成一種雙螺旋結(jié)構(gòu)。通常半乳糖基結(jié)構(gòu)在瓜爾豆膠中的分布是不均勻的，在沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)分布的區(qū)域，瓜爾豆膠與黃原膠之間就會(huì)產(chǎn)生分子間鍵合作用，如圖4所示，形成具有較強(qiáng)機(jī)械性能的雙聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，正極硫含量為11.9 mg·cm-2時(shí)，扣式電池可以穩(wěn)定循環(huán)80圈，容量保持在700 mAh·g-1左右。

圖4 瓜爾豆膠、黃原膠結(jié)構(gòu)及其相互作用示意圖Fig.4 Chemical structures of guar gum and xanthan gum; schematic of the intermolecular binding effect and polymer network between guar gum and xanthan gum.

聚(亞芳基-醚-苯并咪唑)和磺化的聚(亞芳基-醚-苯并咪唑)的聯(lián)用，將苯并咪唑基和-SO3-Li基團(tuán)引入粘合劑中，這兩個(gè)官能團(tuán)與多硫化物之間存在強(qiáng)吸附力，可以將多硫化物限制在正極中。在高載硫量(9.1 mg·cm-2)的情形下很好地抑制穿梭效應(yīng)，提升鋰硫電池性能[47]。

聚磷酸交聯(lián)的甲殼胺-乙酰胺-尿素(PACEC)是一種水性粘合劑，其中的磷酸不僅是一種交聯(lián)劑，還是多硫化物的強(qiáng)吸附劑，聚磷酸酯基中的P-O鍵能夠增加鋰離子的傳導(dǎo)性，基于離子鍵和氫鍵的作用，雙交聯(lián)結(jié)構(gòu)的粘合劑具有較強(qiáng)的粘合力，可以有效地保證高載硫量下的正極的完整性，正極負(fù)載活性物質(zhì)量為14.8 mg·cm-2時(shí)，穩(wěn)定循環(huán)60圈后容量保持率為80.3%，且以此為基礎(chǔ)的軟包鋰硫電池，可以較為穩(wěn)定地循環(huán)300圈[48]。

4 隔膜

隔膜也是電池中一個(gè)重要組分，在高載硫量鋰硫電池中穿梭效應(yīng)更加嚴(yán)重。功能化的隔膜不僅可以降低界面阻抗，且能催化轉(zhuǎn)化多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)，提升電池性能。

金屬有機(jī)框架物質(zhì)修飾的具有電化學(xué)催化性質(zhì)的隔膜，能夠在高載硫量的情況下加速多硫化物的轉(zhuǎn)化，在UiO-66-NH2中引入缺陷，形成D-UiO-66-NH2，缺陷的引入能夠降低帶隙，并能提高電子特性；除此之外，最高占據(jù)晶體軌道(HOCO)向整個(gè)有機(jī)配體離域，并在鋯金屬簇中的氧原子周圍電子密度最大，這種結(jié)構(gòu)能夠強(qiáng)吸附多硫化物，且UiO結(jié)構(gòu)能夠降低Li-S鍵合作用，降低Li2S的分解位壘(如圖5所示)。D-UiO-66-NH2與石墨烯結(jié)合后涂覆于隔膜表面，使得隔膜具有較高的導(dǎo)電性有利于多硫化物的轉(zhuǎn)化，同時(shí)由于體系的多孔結(jié)構(gòu)以及NH2修飾使得隔膜與電解液的浸潤(rùn)性更好，具有更高的離子導(dǎo)電性，且有較強(qiáng)的吸附抑制多硫化物的作用。在正極含硫量為12 mg·cm-2時(shí)，電池能較為穩(wěn)定地循環(huán)65圈，比容量保持在848 mAh·g-1左右，容量保持率為75%[49]。

硫化鋅與氮摻雜的3D-碳納米薄片混合修飾鋰硫電池隔膜，其中硫化鋅中的Zn2+相當(dāng)于路易斯酸，而具有孤對(duì)電子的多硫化物中的硫元素相當(dāng)于路易斯堿，與Zn元素形成Zn-S鍵，抑制多硫化物穿梭；同時(shí)氮原子容易與多硫化物中的Li形成Li-N鍵，抑制多硫化物穿梭。當(dāng)正極含硫量為6 mg·cm-2時(shí)，電池仍能表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。Ni2Co2O4/DNF被用于隔膜的修飾材料，其中極性的Ni2Co2O4與多硫化物形成Ni-S、Co-S鍵，抑制多硫化物的穿梭，而CNF結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定涂層，并同樣能對(duì)多硫化物的穿梭起到抑制作用，正極含硫量為6.3 mg·cm-2時(shí)，0.1 C倍率下扣式電池可以循環(huán)200圈，容量保持率為95%[50]。

圖5 (a) S8和Li2Sn分子與D-UiO-66-NH2的吸附能(等值面值為0.000 1 e ?-3，內(nèi)圖：D-UiO-66-NH2高占據(jù)結(jié)晶分子軌道的電子密度(等值面為0.000 45 e ?-3，空穴用綠色圓環(huán)表示))；(b)吸附在D-UiO-66-NH2上得Li2S電荷密度分布(黃色和綠色分別代表獲得和失去電子，從Li2S轉(zhuǎn)移到Ui分子上得數(shù)量為0.48 e)Fig.5 (a) Calculated adsorption energies of the molecules S8 and Li2Sn (n=1,2,4,6,and 8) on D-UiO-66-NH2(inset:electron density of the HOCO of D-UiO-66-NH2,the isosurface value is 0.000 45 e ?-3);(b) differential charge density distribution for the Li2S molecule adsorbed on D-UiO-66-NH2 (The yellow and green represent gain and depletion of charges,respectively.The amount of charge transfer from Li2S to the UiO is 0.48 e).

5 前景和展望

要獲得高比能量鋰硫電池器件，提升正極的硫負(fù)載量是有效途徑之一，是鋰硫電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化勢(shì)在必行的課題和亟待攻克的難題之一。采用碳材料/金屬化合物-硫復(fù)合正極材料是較為有實(shí)用化的解決手段，可以充分發(fā)揮各組分其長(zhǎng)處，碳材料可以增強(qiáng)體系導(dǎo)電性、存儲(chǔ)活性物質(zhì)提供空間、對(duì)多硫化物的擴(kuò)散起到物理抑制的作用，同時(shí)金屬化合物(包括金屬鹵化物、金屬氮化物、金屬氧化物等)可以吸附多硫化物并催化其氧化還原反應(yīng)，尤其是制備自支撐的正極材料，可以避免使用粘合劑和導(dǎo)電劑，從而減輕電池重量，增加活性物質(zhì)在整個(gè)電池中的比重，從能量密度、倍率性能、循環(huán)壽命多方面提升電池性能。在制備軟包電池時(shí)需要大量的原材料，如果能簡(jiǎn)化復(fù)合正極材料的制備工藝和制備方法，將會(huì)是對(duì)鋰硫電池商業(yè)化進(jìn)程的一大推進(jìn)。另外，鋰硫電池中負(fù)極的穩(wěn)定性對(duì)電池的性能起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)當(dāng)對(duì)鋰負(fù)極進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，配合正極技術(shù)進(jìn)一步推動(dòng)鋰硫電池的應(yīng)用化。