鋰硫電池材料的改性研究

　　鋰硫電池是以硫元素為電池正極，金屬鋰為負極的一種鋰電池。鋰硫電池自身的不足限制了其商業化應用，而鋰硫電池材料的改性研究是改善電池各方面性能的關鍵之一，對于提高導電性、抑制穿梭效應、減輕鋰電極腐蝕、改良電池電化學性能等具有重要作用。

　　鋰硫電池正極材料改性

　　鋰硫電池正極材料的改性包括硫與導電材料的復合、納米金屬氧化物對硫單質的包覆等，目的是提高硫正極導電率、抑制多硫化物溶解。

　　1、硫/碳復合材料

　　可以將盡可能多的單質硫填充到介孔碳材料的孔隙中制成高硫含量的碳硫復合正極材料，既能保證電池的高容量，又可通過減少硫的顆粒度和離子、電子的傳導距離增加硫的利用率。利用碳材料高比表面的強吸附特性抑制放電產物的溶解和向負極的遷移，減小自放電和多硫化物離子穿梭效應，避免在充放電時的不導電產物在碳粒外表面沉積成絕緣層，從而減輕極化并延長循環壽命。

　　2、硫/碳納米管復合材料

　　多壁碳納米管具有高比表面積和大量微孔，這些微孔能夠成為硫的分散基體，使硫達到納米化的分散狀態。

　　3、硫/金屬氧化物復合材料

　　硫/金屬氧化物復合材料是在含硫材料的表面包覆一層具有離子選擇性的過渡金屬硫化物或氧化物顆粒，能夠減少多硫化物及其還原產物在電解液中的溶解，從而提高電池的循環可逆性。

　　鋰硫電池負極材料改性

　　鋰硫電池負極材料的改性主要是針對鋰金屬電極進行表面修飾。金屬鋰化學性質非常活潑，電極過程中易與電解質溶液發生反應生成表面膜，增加電池的極化。而在充放電的過程中，有一部分鋰會失去活性，成為不可逆的死鋰。且由于鋰表面的不均勻性，表面可能會生成鋰枝晶，造成安全性問題。因此，對鋰金屬電極進行表面修飾非常必要。

　　鋰硫電池隔膜材料改性

　　對鋰硫電池隔膜的改性工作集中于對高性能涂層材料的設計與合成，以及對新型隔膜材料的開發，包括碳涂層隔膜、元素摻雜碳涂層隔膜、金屬氧化物/碳復合涂層隔膜等。

　　1、碳涂層隔膜改性

　　碳涂層隔膜改性是將不同的碳材料復合或添加特殊試劑以激活碳涂層，提高電池導電率。

　　2、元素摻雜碳涂層隔膜

　　物理吸附和排斥作用能在很大程度上攔截多硫化物，但元素摻雜能從化學鍵合作用入手，增強隔膜改性材料的化學吸附作用，常見的摻雜元素有氮、硫、氧等。

　　3、金屬氧化物涂層隔膜

　　納米級金屬氧化物比表面積大，吸附力良好，對還原反應有催化作用，近年來被廣泛應用于提高鋰硫電池的性能。常見的金屬氧化物包括：氧化鋁、氧化釕、氧化錳、氧化鈰、二氧化鈦等。

　　氧化鋁作為金屬氧化物之一，具有很強的吸附力、催化活性和耐高溫特性，將其涂覆到隔膜上不僅可以改進隔膜的導電性，還能提高隔膜的熱化學穩定性。氧化釕是高度導電催化材料，可以增強多硫化鋰的還原反應，配合均勻分布的球形多孔網絡能進一步提高硫的利用率。

　　目前，以三元材料為正極的鋰離子電池，其能量密度難以超過350Wh/kg，制造400Wh/kg以上的二次電池則需要開發新的鋰電池體系。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，硫的理論比容量和電池理論比能量遠高于目前商業化的鋰離子電池，鋰硫電池體系或將成為高能新型電池的主要研究方向之一，為鋰電領域的發展和探索提供更多思路和可能。

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