鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，是未來(lái)各國(guó)布局的重點(diǎn)研究方向之一。但隨著研究的不斷深入，鋰硫電池也面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前存在的主要問(wèn)題是鋰硫電池的體積能量密度較低，導(dǎo)致其在很多重要的市場(chǎng)應(yīng)用中失去競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)高電解液用量也成為其重量能量密度提高的瓶頸。主要原因在于硫是離子和電子絕緣體，因此正極中的硫需要大量非活性物質(zhì)來(lái)發(fā)揮容量。一方面，需要加入大量高比表面積的碳（通常>30%）來(lái)保證電極良好的電子電導(dǎo)，導(dǎo)致電極孔隙率通常>70% (商業(yè)化鋰離子電池正極：<40%)，這就使鋰硫電池的體積能量密度大打折扣。另一方面，高氣孔率需要大量電解液浸潤(rùn)和溶解中間產(chǎn)物來(lái)保證電極的離子電導(dǎo)（電解液活性物質(zhì)比: 鋰硫電池通常>3 uL/mg，商業(yè)化鋰離子電池通常<0.5 uL/mg），從而大大限制了鋰硫電池的重量能量密度。因此，當(dāng)前制約鋰硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負(fù)載條件下（10 mg/cm2），實(shí)現(xiàn)低電解液用量、高電極密度及低非活性物質(zhì)含量。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組副研究員索鎏敏 (Liumin Suo) 與美國(guó)麻省理工學(xué)院教授李巨（Ju Li）和博士薛偉江 (Weijiang Xue) 合作針對(duì)目前鋰硫電池存在的共性問(wèn)題——電池器件級(jí)別能量密度不高的問(wèn)題，創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極，使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10 mg/cm2)，含碳量降低到小于10 wt%，電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2 μL mg-1，電極孔隙率低于55 %。采用此新型混合電極的安時(shí)級(jí)軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度（581 Wh/L）和重量能量密度（366 Wh/kg），為未來(lái)開(kāi)發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案（圖1）。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上（Nature Energy，2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0351-0），文章題目為Intercalation-conversion hybrid cathodes enabling Li–S full-cell architectures with jointly superior gravimetric and volumetric energy densities。

相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0104400）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。

圖1. 高體積和重量能量密度的嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極的設(shè)計(jì)思路（嵌入式電極材料：Mo6S8, 轉(zhuǎn)化型電極材料：S8）。

圖2. 嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極HMSC（活性物質(zhì)Mo6S8+S8含量85%，導(dǎo)電碳含量10%) 與C-S8復(fù)合電極對(duì)比示意圖和真實(shí)電極SEM圖片。注：負(fù)載量12.3 mg/cm2的HMSC電極厚度為121 μm遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)載量只有6.2 mg/cm2的C-S復(fù)合電極，因此使得該類電極材料在電極級(jí)別上重量和體積能量密度占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖3. 嵌鋰LixMo6S8與中間產(chǎn)物多硫離子Li2S4相互作用機(jī)理研究。(a) 循環(huán)伏安曲線；(b) 多硫離子吸附實(shí)驗(yàn)；(c) 原位XRD 表征；(d) DFT 多硫離子吸附能計(jì)算；(e) Mo6S8嵌鋰前后對(duì)多硫離子吸附能的變化。注：實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明嵌鋰后的LixMo6S8較未嵌鋰的Mo6S8在對(duì)多硫離子的吸附性能上有明顯提高。

圖4. Mo6S8在HMSC電極中的作用機(jī)理。注：步驟 I: 在硫還原之前預(yù)嵌鋰(> 2.4 V); 步驟 II: 嵌鋰后的LixMo6S8具有雙功能: I) 吸附多硫離子從而抑制多硫離子穿梭效應(yīng)和II) 提供電子和離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從而起到替代碳的作用。

圖5. HMSC型扣式電池性能 (HMSC: 6.2 mg cm-2S8+ 6.1 mg cm-2Mo6S8, 電解液活性物質(zhì)比：2.4 μL mg？1)。(a) 充放電曲線 (b) 倍率性能 (c) 循環(huán)壽命和庫(kù)倫效率。

圖6. HMSC型鋰硫全電池性能。(a) 鋰硫扣式電池 (6.9 mg cm-2S + 6.8 mg cm-2Mo6S8，電解液活性物質(zhì)比~1.5 μL mg？1)；(b) 鋰硫軟包全電池（電解液活性物質(zhì)比~1.2 μL mg-1，~2倍金屬鋰過(guò)量）；(c) 鋰硫電池全電池能量密度對(duì)比圖。注：圖c為扣式電池實(shí)驗(yàn)參數(shù)推算的能量密度和安時(shí)級(jí)軟包全電池的真實(shí)能量密度。

原標(biāo)題:物理所等高體積和重量能量密度鋰-硫電池研究獲進(jìn)展