近10年锂硫电池领域的11个重大突破【附经典PPT一份】

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1、锂硫电池中高度有序的纳米结构碳-硫正极

图1 碳-硫复合物的SEM图及其电化学表征

作者报道了一种高度有序、交织状的复合碳-硫正极材料，利用碳材料结构框架限制了硫在充放电过程中的溶解，实现了具有高比容量的锂硫电池的制备。

（通讯作者：Linda F. Nazar ）

2、具有高比容量及循环稳定性的石墨烯包覆硫微粒的锂硫电池

图2 石墨烯-硫复合材料的合成步骤及预计得到的复合材料的示意图

作者在文章中介绍了一种利用炭黑修饰的石墨烯纳米片包裹聚合物包覆的亚微米硫的结构，得到的石墨烯-硫复合材料在电化学测试中经过100次循环后仍有600mAh/g的比容量，从而成为二次电池有潜质的正极材料。

（通讯作者：崔屹）

3、高功率锂硫电池用多孔空心碳-硫复合材料

图3 介孔碳空心球、碳-硫纳米复合物的TEM图及碳-硫纳米复合物的EDX谱图

该文作者介绍了一种简单的合成介孔碳空心球的方法，并将其与硫进行复合用于锂硫电池中。经电化学测试，在0.5C倍率下100次循环后比容量可达到850mAh/g。该方法为锂硫电池的纳米化结构提供了新的指导思想。

（通讯作者：Lynden A. Archer）

4、高性能锂硫电池中使用氧化石墨烯作为固硫剂

图4 GO-S纳米复合物在氩气气氛155℃下热处理12h后的SEM图与EDX谱图

该文章作者针对锂硫电池中存在的多硫化物溶解造成电池容量衰减的问题，提出了在氧化石墨烯的反应性官能团上用化学法固定多硫化物的方法，从而能在氧化石墨烯纳米片上得到均匀、薄的硫纳米包覆层。经电化学测试，电池的比容量可达到950-1400mAh/g，在0.1C倍率下可稳定循环50次以上。

（通讯作者：张跃钢）

5、高比容量锂硫电池中的空心碳包覆硫正极材料

图5 中空碳纳米纤维/硫复合材料结构设计示意图

该文作者针对锂硫电池充放电过程中多硫化物溶解的问题，提出了用空心碳纳米纤维包覆硫的结构，能有效限制多硫化物的溶解。经过电化学测试该电池具有优异的循环性能，为锂硫电池的设计提出了新思路。

（通讯作者：崔屹）

6、通过微孔碳球包覆硫正极材料提高电池长循环性能

图6 碳球与碳-硫复合物的TEM图片、HAADF-STEM图片、EDX谱图

该文章作者通过一种简单的将微孔碳与硫进行热处理的方法，得到了用于高能量密度锂硫电池的碳-硫复合负极材料，该复合材料中硫的负载量达到了42wt%，电化学测试表明改电池具有长循环稳定性。

（通讯作者：高学平）

7、高能量密度锂硫电池中的硫-碳纳米复合分级结构材料

图7 以双峰多孔碳支撑的硫-碳复合正极材料的示意图

该文章作者首次报道了一种用于高能量密度锂硫电池中的分级硫-碳复合材料，通过软模板法合成了孔径为7.3nm的介孔碳材料，通过氢氧化钾活化后得到一种具有少于2nm孔径的双峰微孔碳材料，通过溶硫使其负载在多孔碳材料中。高比表面积、孔隙率显著提高了硫的利用率。

（通讯作者：梁诚笃）

8、锂硫电池中硫浸渍无序碳纳米管正极

图8 无序碳纳米管的TEM图及硫浸渍无序碳纳米管电极第二次循环的CV曲线

在这项研究中，研究人员合成了硫浸渍碳纳米管正极材料，得到的电池具有优异的循环性能和高的库伦效率。此外，电化学表征表明热处理使硫在碳中的固定存在新的稳定机制。

（通讯作者：王春生）

9、锂硫电池中小硫分子具有更好的性能

图9 CNT@MPC的结构表征

该文章作者针对锂硫电池中硫损失的问题，提出了通过控制硫分子的尺寸至较小的同素异形体可有效减少硫的损失，在导电微孔碳的网络中合成亚稳态小硫分子S2-4，该小分子可完全避免过渡态的大分子S8和S42-。

（通讯作者：万立骏）

10、中空的硫-TiO2核壳纳米结构用于长循环锂硫电池

图10 在各种硫基纳米结构中嵌锂的示意图

研究人员针对锂硫电池中硫的体积膨胀及多硫化物溶解的问题，合成了一种TiO2包覆硫的核壳结构，同时在TiO2壳层内部为硫预留了膨胀的体积空间。该工作为具有体积膨胀材料在电极中的应用提供了建设性思想。

（通讯作者：崔屹）

11、锂硫电池中的锂键化学 

图11-1.DNA中的氢键和锂硫电池中的锂键的原理图

a）氢键相较于共价键和离子键的结合力弱，因此在自然界中氢键普遍会形成动态网络，比如双螺旋的DNA。

b）锂作为最接近氢的同类物质，可以形成氢键的类似物，锂键。

图11-2.Li-S电池中的锂键分析

a）Li₂S₈与吡啶（PD）结合的结构优化；

b）Li₂S₈和DOL、石墨烯或掺杂有吡啶氮（pN）的石墨烯之间的结合能；

c）Li₂S₈与PD间的电荷传输；

d）Li₂S₈ -PD簇的偶极子；

e）Li₂S₈与PD接触前后的自然键结合分析。红色和蓝色分别代表轨道的正负相位。DOL为1，3—二氧戊环。灰色、蓝色、白色、紫色和蓝色分别代表C、N、Li和S原子。

图11-3. Li₂S₈与PD反应前后的7Li NMR光谱

（a）理论计算值；（b）实验获得值。

研究团队通过量子化学计算与核磁共振（NMR）实验相结合的方法证实了Li-S电池中的锂键理论。锂多硫化物和Li-S正极材料之间的强偶极-偶极相互作用源自于富电子的供体（例如：吡啶氮（pN）），而支架材料的诱导作用和共轭作用使其得到进一步地增强。7LiNMR光谱中锂多硫化物的的化学位移被认为是锂键强度的定量描述，实际的电化学测试进一步证明了这一理论。

（通讯作者：张强）