鋰硫電池的技術(shù)研究文獻(xiàn)綜述鋰硫電池（LSB），由硫正極、電解液、隔膜以及鋰金屬負(fù)極組成。其充放電曲線如圖1.3所示。放電時(shí)，負(fù)極上的鋰離子脫出，穿過(guò)隔膜，與正極上的硫結(jié)合生成多硫化鋰（Li2Sx，x=2–8）中間體，隨后進(jìn)一步還原生成Li2S。而充電過(guò)程恰好相反。圖1.3鋰硫電池充放電平臺(tái)實(shí)際上，在經(jīng)過(guò)過(guò)去二十年的努力，鋰硫電池在實(shí)驗(yàn)室里取得了巨大的突破。鋰硫電池的導(dǎo)電率、體積膨脹問(wèn)題以及多硫化物“穿梭效應(yīng)”得到了極大的改善，其循環(huán)穩(wěn)定性、活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、載量等等都在不斷突破，其循環(huán)壽命更是從最初的100圈發(fā)展到現(xiàn)在的上千圈。2018年，Zhu等人[19]，混合硫化物和多功能粉煤灰，通過(guò)球磨的方法一步合成了硫/粉煤灰（S/FA）復(fù)合材料作為鋰硫電池的正極，其合成示意圖如圖1.4所示。該復(fù)合材料由于粉煤灰的特性而不需要粘接劑，從而提升了活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同時(shí)，粉煤灰能給該復(fù)合材料提供足夠的離子、電子傳輸能力，這樣的包覆結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的空間來(lái)緩解硫正極的體積膨脹問(wèn)題，同時(shí)該材料也表現(xiàn)出了對(duì)多硫化物“穿梭效應(yīng)”的抑制作用，從而提升了電池性能。該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的放電比容量。圖1.4制備硫正極的工藝及形貌表征示意圖[26]2016年，Wu等人[20]，采用逐層包覆（LBL）的方法合成了一種新型的硫正極復(fù)合材料，其合成示意圖如圖1.5（左）所示。該結(jié)構(gòu)內(nèi)核為空心碳球/硫復(fù)合材料（HCS/S），隨后該復(fù)合材料使用聚合物電解質(zhì)隔膜（PEM）作為內(nèi)殼封裝HCS/S，隨后再使用石墨烯片（GS）作為外殼封裝整個(gè)材料。該多層核殼結(jié)構(gòu)能給HCS/S復(fù)合材料提供足夠的離子、電子傳輸能力，同時(shí)，多層核殼結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部隔膜的設(shè)計(jì)可以抑制多硫化物的脫出。該復(fù)合材料HCS/S-LBL表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，其電池性能如圖1.5（右）所示。該復(fù)合材料在1Ag-1的電流密度下，兩百圈的循環(huán)后容量保持率高達(dá)75%。同時(shí)，通過(guò)不含外殼的參照實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了該復(fù)合材料能抑制多硫化物“穿梭效應(yīng)”，從而體現(xiàn)在循環(huán)穩(wěn)定及庫(kù)倫效率上。圖1.5HCS/S-LBL復(fù)合材料的合成示意圖（左）以及HCS/S-LBL在1Ag?1下的循環(huán)性能（右）2019年，Yang等人[21]，通過(guò)熱分解的方法使氮摻雜碳納米管（NCNT）原位生長(zhǎng)在石墨烯上，合成了NCNT-G復(fù)合材料，該復(fù)合材料石墨烯與NCNT有良好的化學(xué)鍵。將該復(fù)合材料用作硫的載體進(jìn)行電池測(cè)試，石墨以及碳納米管的分布為活性物質(zhì)硫提供了有效的電荷轉(zhuǎn)移通道，此外，該復(fù)合材料由于氮摻雜碳納米管存在一定的靜電吸附作用，能夠抑制多硫化物“穿梭效應(yīng)”，提高了循環(huán)性能。該復(fù)合材料在1C下，400圈的循環(huán)過(guò)程中，平均每圈僅損失0.06%的容量。2018年，本實(shí)驗(yàn)室課題組李中師兄等人[22]，設(shè)計(jì)及合成了一種新型單離子傳導(dǎo)聚合物電解質(zhì)鋰鹽聚乙烯馬來(lái)酸酐（PEMA）側(cè)鏈接枝4-氨基苯-三氟甲基雙磺酰亞胺鋰（LiATFSI），即PEMA-graft-LiATFSI，該分子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6（左）。因該隔膜表面負(fù)載大量“固定”負(fù)電基團(tuán)，可以限制陰離子的流動(dòng)性而將多硫化物限制在正極一側(cè)，所以該隔膜在循環(huán)過(guò)程中其容量幾乎沒(méi)有衰減，其循環(huán)性能如圖1.6（右）所示。該工作證明了單離子傳導(dǎo)的聚合物鋰鹽能通過(guò)靜電排斥作用對(duì)多硫化物的“穿梭效應(yīng)”有著明顯的抑制作用。圖1.6PEMA-graft-LiATFSI分子結(jié)構(gòu)示意圖（左）及電化學(xué)性能（右）然而，鋰硫電池取得的發(fā)展大部分都集中在硫正極以及隔膜上。鋰硫電池要成功商業(yè)化，還有很長(zhǎng)的路要走，這是因?yàn)殇嚵螂姵厮褂玫呢?fù)極鋰金屬還面臨著巨大的挑戰(zhàn)[23-25]，鋰金屬作為負(fù)極材料在充、放電過(guò)程中，沉積速率不同所造成的濃差極化以及金屬鋰表面的不平整都會(huì)使得鋰在電極表面發(fā)生不均勻沉積，即“鋰枝晶”，其生長(zhǎng)示意圖如圖1.7所示。鋰枝晶的生長(zhǎng)會(huì)造成電池短路甚至引發(fā)爆炸和燃燒等不可控的安全事故。此外，鋰金屬會(huì)因其高活性而與電解液發(fā)生反應(yīng)，這樣的反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電解液的快速消耗以及鋰金屬表面鈍化層（SEI層）的不穩(wěn)定。因此，借鑒目前商用鋰離子電池充放電原理，或許，我們可以采用非鋰金屬負(fù)極（例如石墨、硅和錫），從而避免鋰金屬的問(wèn)題。于是，在這樣的背景下，鋰離子硫電池（LISB）的概念被研究人員提出。鋰離子硫電池的商業(yè)化具有兩種思路，其中一種思路是使用硫作為正極材料，而負(fù)極材料采用預(yù)鋰化的方法。然而，預(yù)鋰化負(fù)極需要通過(guò)拆電池來(lái)獲得，同時(shí)，預(yù)鋰化實(shí)驗(yàn)的操作