锂硫电池的研究进展
锂硫电池的研究进展
摘要 锂-硫氧化还原对的比能量为2600Wh/kg，几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的，当锂-硫电池放电产物为Li2S时，电池的比容量可达到1675mAh/g。近年来，人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫利用率方面开展了大量的研究工作。本文就锂硫电池的最新研究进展，从硫正极材料复合改性、不同种类电解质、锂负极保护、黏结剂等4个方面进行了总结，分析了影响锂硫电池比容量、循环稳定性的主要因素，最后展了望锂硫电池未来的发展趋势。
关键词：锂硫电池 正极材料 电解质 锂负极
Ｒesearch Progress in Lithium Sulfur Battery
Abstract The lithium/sulfur redox couple has almost the highest
specific-energy density of 2600Wh/kg among all the redox couples
enabling for chargeable batteries and has a specific capacity of
1675mAh/g， assuming complete reaction of lithium and sulfur to the
product Li2S. Fruitful results were made with the purpose of enhancing
the reversibility of the lithium sulfur battery and the utilization of sulfur
in the cathode over the past several years.In this paper,the recent progress
of the lithium-sulfur battery is reviewed from four aspects: modification
of sulfur-based composite cathode material,electrolytes, protection of
lithium anode and adhesive agents.The main factors on the specific
capacity and cycle stability of the lithium-sulfur battery are analyzed.The
prospects and development trends on lithium-sulfur battery are also
discussed．
Key words lithium-sulfur battery; cathode materials; electrolytes;
lithium anode;
1、引言
随着新能源技术飞速发展，尤其是移动电子产品和电动汽车等行业的技术进步， 高能量密度二次电池的研发与推广成为新能源领域的研究热点。传统锂离子电池受正极材料理论比容量等因素的制约，难以在能源及交通等领域得到广泛应用。锂硫二次电池则凭借其比容量高、安全性好、成本低、对环境友好[1]等优点，成为目前最具前景的电源体系之一。锂硫二次电池以金属锂作负极，单质硫或硫基复合材料作为正极[2]，理论比容量为1675mAh/g，具有广阔的应用前景。但是目前仍有一些问题尚未解决，从而制约了锂硫电池的实际用，主要在于：（1）单 质 硫的绝缘（室温下离子电导率为5×10-30S·cm-1）决定了正极材料必须制成导电剂／硫复合结构，而导电剂不参与电极反应，所以降低了正极的比容量[3-5];（2）充放电过程中硫电极的体积不断发生变化，会在一定程度上破坏电极的物理结构；（3）放电过程的中间产物可溶性高氧化态长链聚硫锂，向金属锂负极扩散并与其发生反应，生成中间氧化态的短链聚硫锂以及不溶于电解液的Li2S2、Li2S。 短链聚硫锂会在浓度梯度的作用下再次扩散回硫正极聚硫锂在电池正负极间的迁移现象，被称为飞梭效应。飞梭效应的存在一方面消耗了正极活性物质，另一方面导致负极的腐蚀及钝化，同时也会降低电池的库仑效率；（4）活性物质的不可逆氧化。国防科技大学对正极放电产物进行了分析，首次发现在正极有LixSOy的生成和沉积现象，这意味着活性物质的不可逆氧化和损失，也是导致
Li—S电池容量衰减的重要原因之一[6]。
2、正极材料
2.1硫－碳复合材料
目前， 在锂硫电池正极材料的改进上，科学家们的研究热点集中在硫/碳复合材料。 碳材料因具有良好的导电性一直作为锂离子二次电池正极材料的导电剂，硫/碳复合不但可以提高正极的导电性，还可以抑制聚硫离子向负极的扩散以及充放电过程中活性物质的体积膨胀[7]。
最初，科学家只是将碳和硫进行机械混合，得到的锂硫电池容量低、衰减快。
随后，Peled 等首次提出将硫填充进多孔的碳材料当中，以增加电子接触和体积能量密度。 Wang 等[8]采用的多孔碳材料为活性炭，具有比表面积大、孔隙结构发达、吸附能力强等特点，对多硫化物有一定的吸附作用。用热处理的方法制备硫/活性炭复合材料，硫的填充率为30wt% 时，首次放电比容量为 800 mAh /g，25次循环后比容量为 440 mAh /g。硫/活性炭复合材料的电化学性能并不理想，这是由于活性炭的空隙分布太宽(分布从小于2 nm 的微孔到大于50 nm 的大孔不等)，硫的填充率过高时，电子传输就会出现困难，而且大孔对多硫化物的吸附能力也十分有限。因此，随后的研究多集中于纳米尺寸的碳材料 。
2.2硫—石墨烯复合
2004 年，Geim 研究组通过简单的物理剥离方法成功制备出石墨烯，随后石墨烯开始受到广泛关注作为一种二维原子晶体，其仅有一层原子厚，理论比表面积为 2630 m2/g，具有特异导电性。
近年来，利用石墨烯或氧化石墨烯为碳源制备碳硫复合材料的工作被陆续报道[9-11]。2011 年，张跃刚[9]研究组通过简单的化学反应沉淀法将硫负载于氧化石墨烯上，随后通过两步低温热处理(155℃，12 h；160℃，12 h)对硫分布和含量进行了有效控制，最终得到载硫量为 66wt%的氧化石墨烯硫复合正极材料。电化学 图 3 石墨烯硫复合正极材料相关工作
(a) 氧化石墨烯硫复合正极材料示意图及其 0.1 C 倍率的循环性能，其中黄色、红色和白色分别代表硫、氧和氢原子;
(b) 氧化石墨烯硫复合正极材料及其 0.2 C 倍率的循环性能。
测试结果表明采用离子液体PYR14TFSI/PEGDME 混合电解液体系，经过低倍活化(0.02 C)后在 0.1 C 倍率下50 周循环后可逆比容量可保持在 950 mAh/g,
库仑效率为 96.7%。这是由于氧化石墨烯具有较高的比表面积和良好的导电性，不但提高了硫正极材料的导电性，而且也降低了由于循环过程中硫的团聚或由于与集流体接触性降低所导致的不可逆容量损失。此外，氧化石墨烯表面含有丰富羰基氧或羟基基团大大提高了硫与氧化石墨烯的结合程度，从而降低了多硫离子溶解。并且, 离子液体有机溶剂混合电解液体系也在一定程度上起到了改善电化学性能的作用。随后，2012 年 Nazar 研究组[12]通过在氧化石墨烯和多硫化钠混合溶剂中加入5%盐酸原位氧化多硫化钠制备了氧化石墨烯硫复合正极材料。该碳硫复合材料载硫量高达 87 wt%，提高了锂硫电池的实际能量密度。
2.3硫—碳纳米管复合
多壁碳纳米管是一种非常好的电子导体，具有高的比表面积和大量的微孔，这些微孔能成为硫的分散基体，使硫达到纳米化的分散状态。Zheng等[13]将硫与多壁碳纳米管加热混合，熔化的硫进入碳纳米管的纳米孔内，得到结构稳定的纳米复合材料。复合材料的电化学反应被局限于一个很小的范围内进行，类似于纳米反应器，限制反应物分子硫和反应中间体多硫化物的运动，提高了活性物质硫的电化学活性，改善了单质硫电极的导电性阻止了单质硫尤其是其放电产物多硫化合物阴离子S2-x溶解到液态电解质中，从而抑制了锂/硫电池体系中―shuttle‖现象的发生，保护了锂金属负极材料的SEI膜。Yuan等[14]也使用多壁碳纳米管作为硫电极的导电相，形成硫/多壁碳纳米管的核壳结构，碳纳米管作为核形成导电网络，而硫被均匀吸附在碳纳米管表面 从而显著地提高硫电极的导电性。这种结构有效地改善了正极在循环过程中硫团聚的问题，使硫始终处于一种高分散的状态。
2.4硫—介孔碳复合
防化研究院军用化学电源研究与发展中心的王维坤等开发了一条制备介孔炭的新方法:采用纳米CaCO3 作模板，并利用其高温分解产生 CO2 进行―内活化‖的创新方法制备了比表面为 503—1215m 2 /g、孔容为 1 . 8—9. 0cm 3 /g、电导率约为 15S /m 的大中孔炭。该方法简单易行、成本低廉，适合批量制备[15]。以此炭材料为载体制备了炭硫复合正极材料 ( LMC/S)，测试结果表明，当硫含量相同时，载体炭材料的孔容越大，硫的利用率越高，循环稳定性越好。其原因可能是复合材料大的孔容为硫锂化后的体积膨胀提供了空间，避免了活性物质在炭颗粒表面的聚集，同时也有利于电解液的深层浸润。在LiClO4 /DOL + DME (体积比为1∶1) 电解液中，LMC /S 材料在200mA /g的下，首放比容量达1380 mAh
/g，当电流密度增加到500mA /g时，首放比容量可达1279mAh /g，1 00次循环后，比容量可保持613 mAh /g。
图 4 大介孔炭制备过程示意图
2.5 硫—导电聚合物复合
陈人杰等[16]采用原位化学氧化聚合法合成了具有壳/核结构的新型的聚噻吩(PTh)/硫(S)复合材料。聚噻吩在复合材料中同时扮演着导电剂、分散剂和吸附剂的角色。利用原位聚合法合成的PTh-S 复合材料颗粒均匀、分散良好, PTh 包覆层厚度适宜，并且在复合材料表面形成了多孔网络结构，这种独特的结构显著改善了单质硫的导电性能, 加快了体系中电子和离子的传输，提高了单质硫的电化学活性。该结构有利于电解液的渗透，使活性硫与电解液接触更加充分，减小了颗粒间的接触电阻，在充放电过程中其牢固的立体网状构型保证了电极的结构不被破坏，抑制了放电中间产物多硫化锂在电解液中的溶解损失，降低了体系的飞梭效应，从而大幅提高了活性物质单质硫的利用率，改善了电池的循环寿命。
2.6 硫—氧化物复合
Song[17]最早将氧化物Mg0.6Ni0.4O引入到锂－硫电池正极材料中作为多硫化物的吸附剂。随后Mg0.8Cu0.2O，SnO2，MnO2，TiO2和SiO2等氧化物也被纷纷用到锂－硫电池正极材料中。这些研究工作多把氧化剂作为添加剂加入到正极材料， 导电基质材料大多还是碳基材料或高分子聚合物。研究发现氧化物只有存在于正极外表面上，才能更好吸附多硫化物，一旦氧化物被深埋在极片内部，他们的吸附作用就大大降低了。
Cui[18]不是简单地把氧化物掺到正极材料中，他是通过原位化学法在制备的硫纳米粒子表面包覆一层TiO2壳（~15nm），然后用甲苯溶解掉部分硫制备yolk－shell结构 S－TiO2复合材料。壳内留有一定的多余空间，解决了硫在放电时体积膨胀对材料结构的破坏。在0.5C倍率下，电池循环1000次，比容量仍保持
锂硫二次电池正极研究进展
Ｍａｙ 物理化学学报（Ｗｕｌｉ Ｈｕａｘｕｅ Ｘｕｅｂａｏ）
Ａｃｔａ Ｐ ．一Ｃｈｉｍ．Ｓｉｎ．２０１１，２７（５），１００５－１０１６ １００５
［Ｒｅｖｉｅｗ］
锂硫二次电池正极研究进展 ｗｗｗ．ｗｈｘｂ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．Ｏｉｌ
姚真东 魏巍 王久林’ 杨军 努丽燕娜
ｆ上海交通大学化学化工学院，上海２００２４０）
摘要：综述了锂硫电池中硫基正极材料的制备方法、结构特征以及电化学性能．简述了单质硫正极材料，重点
探讨了有机硫化物、碳，硫复合材料、聚合物，硫复合材料的结构设计、材料制各、反应机理以及充放电特性，并对
其中存在的问题进行了分析，还介绍了硫化锂正极材料．最后对硫基正极的进一步发展，以及锂硫电池的商业
化应用进行了展望．
关键词：锂硫二次电池：正极 硫基复合材料；循环性能
中图分类号：０６４６
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｕｌｆｕｒ．Ｂａｓｅｄ Ｃａｔｈｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｔｈｉｕｍ
ＲｅＣｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ＹＡＯ Ｚｈｅｎ—Ｄｏｎｇ ＷＥＩ Ｗｅｉ ＷＡＮＧ Ｊｉｕ—Ｌｉｎ ＹＡＮＧ Ｊｕｎ ＮＵＬｌ Ｙａｎ—Ｎａ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０， Ｒ．Ｃｈｍａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａＩ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｌｆｕｒ－ｂａｓｅｄ
ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ Ｉｉｔｈｉｕｍ／ｓｕｌｆｕｒ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔａＩ ｓｕｌｆｕｒ ｃａｔｈｏｄｅ
ｍａｔｅｒｉａｌ ｉＳ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎｓ。ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ａｎｄ
锂硫电池电池研究的背景及意义
锂硫电池电池研究的背景及意义
锂硫电池，这个名字听起来就像是个高科技的东西，对吧？其实它真的是高科技，但又不完全是让人摸不着头脑的那种高科技。说白了，锂硫电池就是一种新型的电池，理论上比我们现在用的锂离子电池更强大、更环保。想象一下，如果你能用更轻、更持久的电池充电，不仅能减少充电的次数，还能减少废电池的污染，这岂不是一举两得？但是，这背后有很多技术难题得克服，别急，咱慢慢来聊。
锂硫电池的优势，嘿，真的是有些“惊艳”。大家知道，电池的关键问题之一就是能量密度，简单来说就是：电池能储存多少能量。现在的锂离子电池，尽管在市场上很常见，甚至是手机、笔记本电脑里不可或缺的角色，但它的能量密度还是有局限的。而锂硫电池，哦，想想看，它的能量密度几乎是锂离子电池的三倍！换句话说，锂硫电池能存储更多的能量，能让电动车跑得更远，手机用得更久。如果这项技术成熟了，那可真是“好事成双”，不仅能够为我们的日常生活带来便利，还能帮助环境减负，少了那堆堆的废旧电池。嘿，这样一来，不仅电量提升，连我们的“地球大计”也能顺便拯救一番呢。
可是，问题也来了。虽然锂硫电池有着这样那样的优势，但要把它从实验室搬到市场，哎呀，难度也大得很。锂硫电池的寿命，哎呀，真是一个大坑。就像你刚买了辆新车，开得还挺爽，但过了一阵子，车的各个零件开始“罢工”了，电池的性能也是差不多。硫和锂反应时容易产生一些副反应，导致电池的循环寿命大打折扣，这就让人很头疼了。试想一下，电池寿命短，用户就得频繁更换，哪怕电池性能再好，也很难让消费者买账。所以，如何解决锂硫电池的寿命问题，简直是个“命悬一线”的难题，影响着这项技术的普及和发展。
再说了，锂硫电池在充电速度上也不怎么样。现在的锂离子电池虽然也有些瓶颈，但至少它充电挺快的，插上电源没多久，电池就满了。可锂硫电池呢？充电慢得像慢炖锅里煮汤一样，你得有点耐心。如果这种情况一直持续，那谁愿意等着电池充满呢？大家都希望能快速充电，尤其是在忙碌的日常生活中，谁有时间一等就是几个小时呢？
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展
1
Li-S电池和Li-Air电池的研究进展
锂离子电池已经改变了便携式电子产品，并且在交通电气化中扮演了非常重要的角色。然而，锂离子电池的能量上限不足以满足当今社会的长远需求，例如扩展范围的电力汽车。超越锂离子电池的限制是一个艰难的挑战，有几种选择。这里，我们考虑两种：锂硫电池和锂空气电池。储存在锂硫电池和锂空气电池中的能量不亚于锂离子电池。科研工作者还正在研究这两种电池的作用机理，如果这两种电池被成功开发，那么一直困扰着人们的难题将会被解决。在电池的反应机制以及新的材料方面的最新科学进展是非常关键的。
关键词：锂硫电池，锂空气电池
2
第一章 锂硫电池[1]
1.1 背景
锂离子电池(LIBs)，是最普遍的可交换能源之一，在20世纪90年代最初被使用到现在已经超过了20多年，在便携式设备中一直被广泛使用。然而，LIBs已经达到其理论能量极限，因此不能满足当今电力汽车的大容量与长循环寿命的需求。随着越来越迫切的需求以及强大的市场潜力，科研工作者们开始研究具有更高能量密度而且成本更低的可交换电池。
金属锂在所有金属中电负性很高而拥有最低的密度，所以有着最高的容量（3861
mAh/g）,而且它是所有的可交换电池负极材料中优先考虑的。单质硫的理论容量是1673
mAh/g。因此，在考虑锂硫完全反应的情况下，锂硫电池可以达到非常高的质量能量密度(2500Wh/kg)和体积能量密度(2800 Wh/L)。而且由于地球上硫元素的储备非常丰富，该电池比LIBs的成本更低。与LIBs相比，硫阴极可以保持在一个安全的电压范围（1.5-2.5V）。另外，硫是无毒的。毋庸置疑，锂硫电池的这些优势使其成为能源储备的一个非常好的选择，同时在绿色能源中也扮演了非常重要的角色，因此缓解了全球变暖而且减少了化石燃料的使用。
然而，锂硫电池的商业化收到了以下方面的阻碍。例如硫元素的绝热特性以及多硫化物的溶解会导致硫的损失和电池容量的极速降低。为了解决这些问题，人们努力把材料做成纳米维度和结构，纳米尺寸材料因其不易降解的特性成为解决上述问题的一种非常有效的手段。同时，复合碳纳米管和碳纳米纤维的纳米结构的材料由于减少了离子和电子的传导路径可以提高电池的容量。基于上述观点，纳米结构在解决Li-S系统的问题上是意义重大的。尽管纳米结构材料不易制成，并且存在很多挑战，锂硫电池的研究人员仍取得了显著的进步。尽管取得了显著的进展，但是只有几篇文章报道了锂硫电池在循环1000此后仍有着较高的容量。
锂硫电池概述
锂硫电池概述
锂硫电池（LSBs）是一种以硫为正极活性物质，金属锂为负极的新型二次电池。受益于硫相态变化的多电子反应，锂硫电池拥有高达1675mAhg-1和2600Whkg-1的理论比容量和比能量，相当于商用锂离子电池数倍，并且硫储量丰富、价格低、环境友好，因而锂硫电池被认为是极具开发潜力和应用前景的新一代二次电池技术。
一、锂硫电池的结构
锂硫电池主要由硫正极、锂负极、隔膜和电解质等组成。硫正极是由活性物质硫与导电剂及粘结剂等按照一定比例均匀混合制备而成；锂负极为普通商用锂片；正负极之间放置隔膜，隔膜材质为聚合物且具有多孔隙、不导电的特点，目的是选择性通过离子而隔绝电子；电解液为含硝酸锂的非水类电解液体系，为锂硫电池内部氧化还原反应提供液态环境。下图展示了锂硫电池的结构。
二、锂硫电池的储能机理 LSBs的工作原理是单质硫与锂离子之间发生的可逆氧化还原反应。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化锂，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。
图1.2为电池充放电过程单质硫的可逆转化示意图，其中放电时大致包括以下反应过程：
正极反应：
图1.2可以看出，放电曲线有两个较为明显的平台，分别位于2.4-2.1V和2.1-1.5V。放电前，正极活性硫的初始状态为环形分子（S8），放电开始后，S8分子发生开环反应并与锂离子结合生成Li2S8分子（式1-1），随着反应的进行，Li2S8进一步与锂离子结合生成长链多硫化锂Li2S6和Li2S4（式1-2和1-3），这一过程对应位于2.4-2.1V的第一放电平台；长链多硫化锂在有机电解液中溶解并在隔膜两侧扩散迁移，随着电化学反应的继续进行，长链多硫化锂在反应过程中得到电子被还原为短链多硫化锂（Li2S2和Li2S）（式1-4和1-5），这个反应过程在放电曲线中对应于第二个较长的平台（2.1-1.5V附近），这一过程贡献了LSBs大部分的理论容量，因此第二平台的反应深度很大程度上决定了LSBs的性能。
锂硫电池穿梭效应_化学吸附_催化_概述说明以及解释
锂硫电池穿梭效应 化学吸附 催化 概述说明以及解释
1. 引言
1.1 概述
锂硫电池作为一种具备高能量密度和安全性能的电池技术，被广泛研究和应用。然而，锂硫电池在实际使用中存在一个严重的问题，即穿梭效应。穿梭效应指的是锂离子在充放电过程中在正负极之间发生迁移，导致活性材料的损耗和不稳定性增加，从而影响了电池的循环寿命和能量效率。因此，研究如何解决锂硫电池中的穿梭效应问题成为当前锂硫电池领域关注的焦点。
1.2 文章结构
本文分为五个主要部分进行阐述和讨论。首先，在引言部分对锂硫电池穿梭效应进行了概述，并说明了文章的目的与结构。接下来，第二部分将详细介绍了锂硫电池穿梭效应的定义与基本原理，并分析了影响因素以及相关解决方案。第三部分将重点关注化学吸附，在介绍其概念与机制前，会先进行材料分类与性能评估的讨论，并进一步探讨化学吸附在锂硫电池中的应用研究进展。第四部分将讨论催化作用，包括催化反应原理与机制、催化剂选择及设计要点，以及锂硫电池中催化材料的性能优化方法。最后，在结论部分对已讨论内容进行总结，并展望未来研究方向和其重要意义。
1.3 目的 本文旨在全面概述锂硫电池穿梭效应、化学吸附和催化作用，并探索其在解决锂硫电池穿梭效应中的应用。通过系统分析锂硫电池穿梭效应的影响因素和解决方案，以及介绍化学吸附和催化作用的基本原理和应用进展，可以为更好地理解和改善锂硫电池的性能提供指导。此外，通过对未来研究方向的展望和重要意义的提示，有助于推动锂硫电池领域的发展并促进相关技术的创新。
2. 锂硫电池穿梭效应：
2.1 定义与基本原理：
锂硫电池是一种新型的高能量密度二次电池，其正极材料为硫，负极材料为锂或锂合金。在充放电过程中，由于硫的可溶解性和活性较高，导致在充放电循环中出现了所谓的“穿梭效应”。穿梭效应指的是硫等离子体在充放电过程中从正极经由电解液迁移到负极，并随之形成固态产物的现象。
水基和有机液态锂硫电池发展历程
1. 水基电池的发展历程
1.1 水基电池的基本原理
1.2 水基电池的优势和挑战
1.3 水基电池的研究与发展
2. 有机液态锂硫电池的发展历程
2.1 有机液态锂硫电池的基本原理
2.2 有机液态锂硫电池的优势和挑战
2.3 有机液态锂硫电池的研究与发展
3. 水基电池与有机液态锂硫电池的比较与展望
3.1 两种电池的性能比较
3.2 两种电池的在不同领域的应用前景
3.3 未来发展方向和挑战
4. 结语
水基电池是指以水为电解质的电池，相比于传统的有机电解质电池，水基电池具有环境友好、成本低廉、安全性高等优势。早期的水基电池由于水的电解分解和腐蚀性较强，导致其循环寿命较短，电池效率低。随着材料科学和工艺技术的发展，尤其是新型高效电解质和稳定阳极材料的涌现，水基电池的性能得到了大幅度提升，已经成为一种备受关注的新型电池技术。
有机液态锂硫电池是指采用有机电解质和锂硫作为正负极材料的电池。锂硫电池具有高能量密度、低成本和环境友好等优势，被认为是一种潜在的下一代高性能电池。然而，由于锂枯燥和极测杂反应的存在，电池的循环寿命和安全性一直是亟待解决的难题。近年来，通过结构设计、电解质改性等方法的不断创新，有机液态锂硫电池的性能逐渐得到了提升，并且在研究领域取得了一系列突破性进展。
水基电池与有机液态锂硫电池各自有其独特的优势和挑战。水基电池的优势在于其环境友好、成本低廉、安全性高等特点，但仍需解决电解液稳定性和电池性能之间的矛盾。而有机液态锂硫电池的优势在于其高能量密度、低成本和环境友好，但需要解决循环寿命、安全性和电池制造成本等方面的问题。
未来，水基电池和有机液态锂硫电池都将继续受到重视和研究。水基电池有望在储能领域、可穿戴设备和轻型电动车等领域发挥重要作用，而有机液态锂硫电池则有望应用于大容量储能系统、电动汽车和无人机等领域。与此需要进一步加大对电解质、正负极材料、电池制造工艺等方面的研究，以解决两种电池在循环寿命、安全性和成本等方面的挑战，推动其商业化和应用。
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池综述
全固态锂硫电池是一种新型的高能量密度电池，具有广阔的应用前景。本文综述了全固态锂硫电池的研究进展和挑战。
全固态锂硫电池由固态电解质、锂金属阳极和硫正极组成。与传统液体电解质锂硫电池相比，全固态锂硫电池具有更高的能量密度、更长的循环寿命和更好的安全性能。
目前，全固态锂硫电池的电解质主要包括固态聚合物电解质和固态氧化物电解质。固态聚合物电解质具有良好的离子导电性和机械强度，但在高温下容易熔化。固态氧化物电解质具有较高的离子导电性和化学稳定性，但制备成本较高。
全固态锂硫电池的硫正极材料主要包括硫化物、硫化合物和硫/碳复合物。硫化物和硫化合物具有较高的硫质量比，但容易析出多硫化物并导致电池失活。硫/碳复合物具有良好的电化学性能和稳定性。
全固态锂硫电池面临一些挑战。首先，全固态电解质的热稳定性和机械强度需要进一步提高。其次，锂金属阳极的表面稳定性需要改善，以防止金属锂的表面反应和析出。同时，硫正极材料的小颗粒尺寸和高活性也需要解决。
总之，全固态锂硫电池具有巨大的潜力，但还需要进一步的研究和开发，以解决其面临的挑战，并实现商业化应用。
锂硫电池硫导电聚合物正极材料的研究进展
锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展／俞栋等
141
锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展。
俞栋，徐小虎，李宇洁，汪冬
冬，周小中
(西北师范大学化学化工学院，生态环境相关高分子材料教育部重点实验室，甘肃省高分子材料重点实验
室，兰州730070)
摘要
综述了锂硫电池硫／导电聚合物正极材料的研究进展。重点探讨了导电聚合物在硫基正极材料改性中 的制
备方法、结构设计，并对其中存在的问题进行了分析。最后对硫／导电聚合物正极材料的进一步发展及商业化应 用进
行了展望。
关键词
锂硫电池正极复合材料导电聚合物
中图分类号：TM912
文献标识码：A DOI：10．11896／j．issn
1005—023X
2014．23．029
Research
Progress of Sulfur／ConductiVe
PolymeI’s Cathode
Materials
fOr Lithi叫n／Sulfur
Batteries
YU
Dong，XU Xiaohu，LI Yujie，WANG
Dongdong，ZHOU Xiaozhong
(Key Laboratory of
Eco_Environment-Related Pol珊er
Materials
of Ministry of
Education，Key Laboratory of
P01)咖er
Materials of
Gansu
Province，College of Chemistry&Chemical
Engineering，
Northwest Nornlal
University，Lanzhou 730070)
A如sh‘act The
research
progress of sulfur／conductive
polymers cathode Imterials
for hthiurn／sulfur batteries is
surnmarized The structural
第一性原理计算在锂硫电池中的应用进展评述
- 1 - 第一性原理计算在锂硫电池中的应用进展评述
锂硫电池（Li-S）是一种潜在的多元素锂离子电池技术，它已成为可替代传统电池技术，如锂离子电池（Li-ion）的有力竞争者。锂硫电池的最大优势在于具有极高的比容量，其中锂离子的部分比容量达到了2560 mA h g-1。此外，它的高能量密度，低成本和低温性能使其成为非常受欢迎的电池技术。然而，锂硫电池的安全性与稳定性仍然是发展的一大挑战。
为了克服这些关键问题，研究人员正在利用第一性原理计算方法研究锂硫电池中的各种反应。第一性原理计算是一种基于密度泛函理论（DFT）的计算技术，它可以精确地预测分子结构和材料性质。
综述
近年来，有许多研究利用第一性原理计算来研究锂硫电池的性能。它们的研究主要集中在四个主题上：锂硫电极材料，电极反应机制，电解液中的溶液反应和安全方面。
锂硫电极材料方面，许多研究通过第一性原理计算来优化材料晶体结构，改善其电化学性能。此外，还研究了锂硫电极材料表面层及其反应机理以及电极/电解液界面的相互作用。
关于电极反应机制，研究表明，在Li-S电池的化学反应过程中，氯离子的增加可以阻碍Li-S的反应速率，而硫的增加则可以促进Li-S的反应，这表明锂硫电池的反应机制与氯离子和硫的组成相关。
就电解液中的溶液反应而言，锂离子在电解液中的迁移行为可以通过第一性原理计算来研究。研究表明，氟代烃对锂离子在电解质中 - 2 - 的迁移有很大的影响，并表明电解液结构对锂离子的迁移有很大的影响。
最后，安全方面的研究表明，第一性原理计算可以有效地模拟锂离子电池的安全方面，如电池健康监测与短路保护等。
结论
本文综述了近年来第一性原理计算在锂硫电池中的应用。研究表明，第一性原理计算可以有效解释锂硫电池中电极反应机制，电解液中溶液反应和安全方面的性质，从而进一步改善锂硫电池的性能。未来需要进一步探讨第一性原理计算在锂硫电池技术发展中的应用。
比传统锂电池容量大3倍的硫锂电池在加研究成功
火焰燃烧法制备出磁性纳米颗粒 火是易燃物伴随发光、放热并释放二氧化碳和水等产物的 剧烈氧化过程。从本质上讲，火是由等离子体（ｐｌａｓｍａ）状态的 物质组成的，因此被英国物理学家Ｓｉｒ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｃｒｏｏｋｅｓ定义 为有别于固态、液态和气态的物质的第四态。可见，火以其特殊 的性质为纳米材料的制备提供了常规条件下无法获得的极端条 件。 最近，胶体、界面与化学热力学院重点实验室在基金委、科 技部以及中科院的资助下，在利用前驱体燃烧制备纳米材料方 面取得了重要研究进展，成功地制备了具有特殊结构与形貌的 纳米材料， 具有新颖双面体结构的磁性纳米颗粒由于其结构特殊性表 现出非常独特的性质。 首先，双面体颗粒具有铁磁性，但由于Ｓｉ０２的存在，铁磁性 的复合颗粒仍表现出非常好的胶体稳定性，因此在生物样品磁 分离方面具有潜在的应用价值；其次，复合磁性纳米颗粒的双 面体结构使不对称修饰成为可能，如通过对Ｓｉ０２￣］进行选择性 疏水修饰得到的纳米颗粒表现出界面活性，在超声辅助下可形 成磁性囊泡，而在气／液界面上也表现出择优取向行为；最后， 利用Ｓｉ０２可被氢氟酸刻蚀的性质，双面体结构Ｙ—Ｆｅ２０３１１ＳｉＯ２ 磁性纳米颗粒可作为牺牲模板，用于构筑带有Ｙ－Ｆｅ２０３芯的空 心磁胶囊。 肩上芯片提醒按时吃药 未能按时服药的患者很快就会有救了，他们可以在肩膀上 安装－＋ｅｒａ瑞士制药集团诺华制药（Ｎｏｖａｒｔｉｓ）ｆＥ在开发的、带 有新型电子系统的芯片。 该公司正在测试一项技术，在每粒药片中都安装一个微型 芯片，患者如果未能遵医嘱服药，芯片就会向患者手机发送提 醒短信。该技术最初的开发者是Ｐｒｏｔｅｕｓ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ，它是诺华 制药正在开拓的合作伙伴之一。诺华制药和竞争对手都在试图 通过帮助患者遵照医嘱服用药物，来维持创新药的高价。 上述系统可以通过药片中的芯片向肩部的接收器发送信 号。诺华制药部门主管乔・吉莫内（Ｊｏｅ］ｉｍｅｎｅｚ）表示，公司在２０ 名服用降压药Ｄｉｏｖａｎ的患者身上试验了这套系统，结果６个月 后，患者对医嘱的“遵从度”从３０％提高到了８Ｏ％。 此前，政府和医疗保险公司都越来越担心，医药公司宣称 的药物能够带来的健康状况的改善并没有实现，是因为患者不 遵照医嘱服药，除非在临床试验阶段对他们进行严格监督。 患者对医嘱的遵从度往往会迅速下降，特别是那些患高血 压或糖尿病等慢性病的患者。这或者是因为药物存在不良副作 用，或是因为患者不会迅速出现好转，因此意识不到药物的价 值。 但随着患者的症状加重，需要住院治疗或动手术，每年就 要付出数亿美元的不必要成本。 “这个行业开始起飞，”吉莫内说。他补充称，很快将招聘 一位“遵从度主管”，负责促进正确服用药物的一系列众多合 作与项目。 比传统锂电池容量大３倍的 硫锂电池在加研究成功 最近，加拿大滑铁卢大学的研究人员称，他们制成了一种 比传统锂电池容量大３倍的硫锂电池原型。相关研究发表在 自 然～材料 杂志网络版上。 锂硫电池具有十分广阔的应用前景，化学家们已经为此进 行了近２０年的研究。硫和锂被认为是最为理想的一种电池材 料，这两种化学物质的结合不但能提供高密度的能量，在稳定 性、安全性和寿命上也更为出色。另外，在成本上，硫的价格也 远远低于目前在锂电池中所广泛使用的其他材料。 但电池阴极的制造一直是困扰人们的一大难题，这部分在 充放电中负责储存和释放电子，、在这种可逆的电化学反应中为 了实现较高的电流，必须使其中的硫与类似碳这样的导体紧密 接触，而此前并无十分有效的方式。 滑铁卢大学琳达一纳扎尔教授所带领的研究小组通过纳米 技术实现了碳和硫的紧密结合。在实验中他们采用了一种被称 ７６ 《科技与企业》杂志２。ｏ９年第’