埃尔派知识课堂：锂硫电池材料的改性研究

锂硫电池是以硫元素为电池正极，金属锂为负极的一种锂电池。锂硫电池自身的不足限制了其商业化应用，而锂硫电池材料的改性研究是改善电池各方面性能的关键之一，对于提高导电性、抑制穿梭效应、减轻锂电极腐蚀、改良电池电化学性能等具有重要作用。

锂硫电池正极材料改性

锂硫电池正极材料的改性包括硫与导电材料的复合、纳米金属氧化物对硫单质的包覆等，目的是提高硫正极导电率、抑制多硫化物溶解。

1、硫/碳复合材料

可以将尽可能多的单质硫填充到介孔碳材料的孔隙中制成高硫含量的碳硫复合正极材料，既能保证电池的高容量，又可通过减少硫的颗粒度和离子、电子的传导距离增加硫的利用率。利用碳材料高比表面的强吸附特性抑制放电产物的溶解和向负极的迁移，减小自放电和多硫化物离子穿梭效应，避免在充放电时的不导电产物在碳粒外表面沉积成绝缘层，从而减轻极化并延长循环寿命。

2、硫/碳纳米管复合材料

多壁碳纳米管具有高比表面积和大量微孔，这些微孔能够成为硫的分散基体，使硫达到纳米化的分散状态。

3、硫/金属氧化物复合材料

硫/金属氧化物复合材料是在含硫材料的表面包覆一层具有离子选择性的过渡金属硫化物或氧化物颗粒，能够减少多硫化物及其还原产物在电解液中的溶解，从而提高电池的循环可逆性。

锂硫电池负极材料改性

锂硫电池负极材料的改性主要是针对锂金属电极进行表面修饰。金属锂化学性质非常活泼，电极过程中易与电解质溶液发生反应生成表面膜，增加电池的极化。而在充放电的过程中，有一部分锂会失去活性，成为不可逆的死锂。且由于锂表面的不均匀性，表面可能会生成锂枝晶，造成安全性问题。因此，对锂金属电极进行表面修饰非常必要。

锂硫电池隔膜材料改性

对锂硫电池隔膜的改性工作集中于对高性能涂层材料的设计与合成，以及对新型隔膜材料的开发，包括碳涂层隔膜、元素掺杂碳涂层隔膜、金属氧化物/碳复合涂层隔膜等。

1、碳涂层隔膜改性

碳涂层隔膜改性是将不同的碳材料复合或添加特殊试剂以激活碳涂层，提高电池导电率。

2、元素掺杂碳涂层隔膜

物理吸附和排斥作用能在很大程度上拦截多硫化物，但元素掺杂能从化学键合作用入手，增强隔膜改性材料的化学吸附作用，常见的掺杂元素有氮、硫、氧等。

3、金属氧化物涂层隔膜

纳米级金属氧化物比表面积大，吸附力良好，对还原反应有催化作用，近年来被广泛应用于提高锂硫电池的性能。常见的金属氧化物包括：氧化铝、氧化钌、氧化锰、氧化铈、二氧化钛等。

氧化铝作为金属氧化物之一，具有很强的吸附力、催化活性和耐高温特性，将其涂覆到隔膜上不仅可以改进隔膜的导电性，还能提高隔膜的热化学稳定性。氧化钌是高度导电催化材料，可以增强多硫化锂的还原反应，配合均匀分布的球形多孔网络能进一步提高硫的利用率。

目前，以三元材料为正极的锂离子电池，其能量密度难以超过350Wh/kg，制造400Wh/kg以上的二次电池则需要开发新的锂电池体系。利用硫作为正极材料的锂硫电池，硫的理论比容量和电池理论比能量远高于目前商业化的锂离子电池，锂硫电池体系或将成为高能新型电池的主要研究方向之一，为锂电领域的发展和探索提供更多思路和可能。