碳基復合材料中間層在鋰硫電池中的應用研究

楊 斌

（溫州大學化學與材料工程學院，浙江省碳材料技術研究重點實驗室，浙江 溫州 325027）

隨著便攜式電子設備、電動汽車和可再生清潔能源的迅速發展，人們對高能量密度、長循環壽命的可充電電池的需求日益強盛[1]。近年來，各種電化學儲能系統得到廣泛的研究[2-5]。在眾多能源存儲設備中，鋰硫電池因其高的理論容量（1675mAh·g-1）和能量密度（2600 Wh·kg-1），以及活性物質硫無毒、環保、低成本的特性，成為下一代最有前途的電化學儲能系統之一[6-8]。

1 鋰硫電池的電化學原理

鋰-硫電池的工作原理，依賴于金屬鋰和S8之間可逆的氧化還原反應（圖1）。放電時，負極側的金屬鋰被氧化，轉換為鋰離子和電子，同時鋰離子和電子又分別通過電解液和外部電路傳遞到硫正極側，然后硫接受了鋰離子和電子，被還原成硫化鋰[9]。在充電過程中，硫化鋰失去鋰離子和電子，被氧化為硫，鋰離子在得到電子后進一步轉變為金屬鋰。鋰硫電池的主要反應方程式如下：

圖1 鋰硫電池電化學原理圖[12]

放電過程：

負極：Li=Li++e-

正極：S8+16 Li++16 e-=8 Li2S

充電過程：

負極：Li++e-=Li

正極：8 Li2S=S8+16 Li++16 e-

在醚類電解液里，鋰硫電池的放電過程主要經過2個階段的轉化過程。首先在2.3V左右，環狀的S8被鋰化，形成可溶性Li2S8，隨后轉變為可溶性Li2S6和Li2S4，這一轉化過程貢獻了硫理論容量的25%。但在第一個轉化過程中形成的可溶性長鏈多硫化物易溶于電解液中，形成穿梭效應，這是導致電池壽命衰減、活性物質損失、容量快速降低、負極鋰金屬表面腐蝕嚴重的原因之一。接著在2.1V左右，可溶性長鏈多硫化物進一步鋰化，形成難溶于電解液的短鏈Li2S2和Li2S，這一轉化過程貢獻了硫理論容量剩余的75%。……