基于硫电极设计实现贫电解液锂硫电池的最新研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0329

无机盐工业 ›› 2025, Vol. 57 ›› Issue (2): 1-13.doi: 10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0329

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基于硫电极设计实现贫电解液锂硫电池的最新研究进展

陈雪¹^,²^,³(), 蒋光辉¹^,²^,³, 欧阳全胜¹^,²^,³(), 邵姣婧³^,⁴()

^1.贵州轻工职业技术学院先进电池与材料工程研究中心，贵州贵阳 561113
^2.废旧动力电池梯次利用及资源化省级协同创新中心，贵州贵阳 561113
^3.贵州省普通高等学校石墨烯材料工程研究中心，贵州贵阳 561113
^4.贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳 561113

收稿日期:2024-06-11 出版日期:2025-02-10 发布日期:2024-07-22
通讯作者: 欧阳全胜（1968— ），男，博士，教授，主要研究方向为锂离子电池梯次利用与回收；E-mail：qsouyang@163.com。
邵姣婧（1988— ），女，博士，教授，主要研究方向为锂电池用关键材料设计制备及应用研究；E-mail：shaojiao_jing@163.com。
作者简介:陈雪（1993— ），女，博士，讲师，研究方向为锂硫电池电解液设计与应用；E-mail：1548582799@qq.com。
基金资助:
贵州轻工职业技术学院自然科学研究项目(24QYGCC02);贵州省科学技术基金资助项目(黔科合基础-ZK［2024］一般608);贵州省科学技术基金资助项目(黔科合基础-［2018］1086);贵州省科学技术基金资助项目(黔科合平台人才-CXTD［2023］016)

Recent research progress of lithium sulfur batteries under lean electrolyte based on sulfur electrode design

CHEN Xue¹^,²^,³(), JIANG Guanghui¹^,²^,³, OUYANG Quansheng¹^,²^,³(), SHAO Jiaojing³^,⁴()

^1.Advanced Batteries and Materials Engineering Research Center，Guizhou Light Industry Technical College，Guiyang 561113，China
^2.Provincial Collaborative Innovation Center of Used Power Batteries Recycling，Guiyang 561113，China
^3.Graphene Materials Engineering Research Center of Guizhou Colleges and Universities，Guiyang 56113，China
^4.School of Materials and Metallurgy，Guizhou University，Guiyang 56113，China

Received:2024-06-11 Published:2025-02-10 Online:2024-07-22

摘要/Abstract

摘要：

锂硫电池因其高的理论能量密度而受到广泛关注，被认为是极具潜力的下一代储能装置。虽然在过去的十几年里其电性能已显著提升，但目前大多数测试时仍然使用过量的电解液。高电解液用量不仅会增加电池的制作成本，还会降低其实际能量密度，不利于商业化应用。因此，开发兼具贫电解液用量和优异电化学性能特性的锂硫电池尤为关键。基于此，概述了锂硫电池在贫电解液条件下的困境，且详细讨论了基于硫电极设计以减少电解液用量的途径：1）优化电极孔隙率和离子传导，以降低锂离子的传输路径并提升传输能力；2）引入金属基或非金属基催化剂，增强活性物质在贫液条件下的反应动力学；3）开发新型活性材料，规避在贫液条件下因大量多硫化锂溶解于电解液带来的电池性能恶化问题。最后，针对构筑贫电解液高能量密度锂硫电池，提出了进一步优化正极设计的相关展望。

关键词: 锂硫电池, 硫电极设计, 贫电解液

Abstract:

Lithium sulfur batteries（LSBs） have attracted considerable attention as promising next-generation energy storage devices due to their high theoritical energy density.Although the electrochemical performance of LSBs has been significantly enhanced over the past decade，most of their test condition is based on excessive electrolyte usage.High electrolyte usage not only increases the manufacturing cost of batteries but also reduces their actual energy density，Which is detrimental to commercial applications of LSBs.Therefore，it is especially critical to develop LSBs that combine low electrolyte usage with excellent electrochemical performance.The challenges faced by LSBs under lean electrolyte conditions were outlined and the approaches based on sulfur electrode design to reduce electrolyte usage were discussed in detail：1）optimizing electrode porosity and ion conduction to shorten the transport path of lithium ions and enhance their conductivity；2）introducing meta-based or nonmetallic-based catalysis to enhance the reaction kinetics of active materials under lean electrolyte conditions；3）developing novel active materials to avoid the degradation of battery performance caused by the large amount of lithium polysulfides dissolved in the electrolyte under lean electrolyte conditions.Finally，the perspectives on further optimizing the design of sulfur cathode to develop high-energy-density LSBs with lean electrolyte were proposed.

Key words: lithium sulfur batteries, sulfur electrode design, lean electrolyte

中图分类号:

TQ152

陈雪, 蒋光辉, 欧阳全胜, 邵姣婧. 基于硫电极设计实现贫电解液锂硫电池的最新研究进展[J]. 无机盐工业, 2025, 57(2): 1-13.

CHEN Xue, JIANG Guanghui, OUYANG Quansheng, SHAO Jiaojing. Recent research progress of lithium sulfur batteries under lean electrolyte based on sulfur electrode design[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2025, 57(2): 1-13.

图/表 7

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表1

参考文献 50

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采用策略和实施方法		硫载量/ （mg·cm^-2）	E/S	循环次数	比容量初/末/ （mA·h·g^-1）	能量密度初/末/ （W·h·kg^-1）	文献
降低电极迂曲度	冰模板法	6.00	1.2	1	1 200/－	481/－	［10］
降低电极迂曲度	冰模板法	8.80	2.0	50	984/－	338/－	［11］
降低电极孔隙率	采用大颗粒尺寸电极	4.00	4.0	30	1 001/－	－	［14］
创建离子传输通道	P-10黏结剂	6.00	4.0	100	1 182/749	344.5/271.4	［16］
	HMT-PMBI（TFSI）黏结剂	3.00	6.0	440	796/500	172/－	［17］
	CWPU黏结剂	6.68	8.0	35	739/617	－	［18］
	BVIM黏结剂	5.50	6.4	50	745/600	－	［20］
引入金属基催化剂	MoP	6.00	6.0	50	/830	－	［27］
	TiN/TiO₂@NMPC	8.20	4.7	200	811/572	－	［28］
	CNTs@TiN-TiO₂	15.00	10.0	100	1 433/1326	－	［29］
	Co_0.9Zn_0.1Te₂@NC	7.70	4.0	30	1 662/998	－	［32］
	Li _x MoS₂	7.50	2.4	200	1 094/932	441/350	［31］
	CoNiFePdV	4.50	5.0	100	710/572	－	［33］
	FeCoNiZnCu	4.52	7.0	80	637/467	－	［34］
	MnP-MnO₂@C	7.10	5.0	11	1 199/1 015	429/362.3	［47］
	TiO₂/TiS₂	7.50	2.5	30	773/703	331/301	［48］
	CuBr QDs/rGO	8.00	3.0	50	1 075/750	375/261	［50］
引入非金属基催化剂	PCNF/BPQD	8.00	6.5	200	618/550	－	［37］
	NF@VG	13.00	4.8	100	984/826	－	［38］
	WLC-CNTs	52.40	6.0	100	1 245/692	－	［41］
	g-C₃N₄/rGO/S@PPy	5.00	10.0	100	723/600	－	［42］
	rGO/g-C₃N₄ QDs	16.10	6.0	100	1 006/820	－	［39］
新型活性材料	PAN@S	5.75	2.14	25	448.4/396	822.5/798 基于正/负极计算	［44］
	PAN@S_0.96Te_0.04	3.11	6.00	100	－/870	－	［45］
	STI-5	4.50	8.00	130	－/817	－	［46］

[1]	陈雪, 欧阳全胜, 邵姣婧. 基于固-固反应机制锂硫电池的最新研究进展[J]. 无机盐工业, 2024, 56(9): 12-23.
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[3]	宋娅, 龙家英, 庞驰, 石斌, 牟钦尧, 邵姣婧. 多级孔碳在锂硫电池正极中的研究进展[J]. 无机盐工业, 2021, 53(6): 41-48.
[4]	刘子琛,张玢,谷思辰,吕伟. 钛基化合物在锂硫电池中的应用[J]. 无机盐工业, 2021, 53(6): 14-22.

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