電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)儲(chu)能(neng)(neng)器件的(de)(de)(de)(de)發展對(dui)新能(neng)(neng)源的(de)(de)(de)(de)高(gao)效利用(yong)有(you)著至關(guan)重(zhong)(zhong)要的(de)(de)(de)(de)作用(yong)。其(qi)中(zhong)(zhong)，鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)已(yi)經得(de)到了廣(guang)泛(fan)(fan)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)。然(ran)而現行(xing)鋰(li)離子電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量密度(du)依然(ran)不足以滿足許多應(ying)用(yong)需求(qiu)，因此，理論能(neng)(neng)量密度(du)高(gao)達2600Wh/kg的(de)(de)(de)(de)鋰(li)硫(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)得(de)到了廣(guang)泛(fan)(fan)的(de)(de)(de)(de)關(guan)注和研(yan)(yan)究。然(ran)而鋰(li)硫(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)在實際應(ying)用(yong)中(zhong)(zhong)，易溶于電(dian)(dian)(dian)(dian)解液(ye)的(de)(de)(de)(de)多硫(liu)化(hua)(hua)物(中(zhong)(zhong)間產物)形成(cheng)“穿梭(suo)效應(ying)”會直接(jie)導致差的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)循(xun)環壽(shou)命。因此，如何抑制多硫(liu)化(hua)(hua)物的(de)(de)(de)(de)穿梭(suo)在鋰(li)硫(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)正(zheng)極研(yan)(yan)究中(zhong)(zhong)至關(guan)重(zhong)(zhong)要。

穿(chuan)(chuan)梭效(xiao)應(ying)，指的(de)是在充(chong)放(fang)電過程中，正極(ji)產生的(de)多硫(liu)化物(Li2Sx)中間(jian)體(ti)溶解到電解液中，并穿(chuan)(chuan)過隔膜，向負(fu)極(ji)擴散，與(yu)負(fu)極(ji)的(de)金屬(shu)鋰直接發生反應(ying)，最終造成了電池(chi)中有效(xiao)物質的(de)不(bu)可逆損(sun)失、電池(chi)壽命(ming)的(de)衰減(jian)、低的(de)庫倫(lun)效(xiao)率。

為了抑制穿梭效應，主(zhu)要是(shi)在正極用(yong)高比表(biao)面(mian)積的具(ju)有(you)孔結構的載(zai)體(ti)(如(ru)石墨(mo)烯、碳管等)對(dui)硫和多硫化(hua)物進行物理(li)吸(xi)附和禁(jin)錮，再(zai)進一(yi)步的是(shi)對(dui)載(zai)體(ti)進行化(hua)學修飾(shi)，修飾(shi)上活性位點，以實現化(hua)學吸(xi)附。

有效抑制鋰(li)硫電池(chi)“穿梭效應”的新策(ce)略

鋰(li)(li)硫(liu)電池因其理論能(neng)量密度(2500Wh/kg)遠高于現有鋰(li)(li)離子的(de)(de)能(neng)量密度(200Wh/kg)而(er)成為(wei)鋰(li)(li)離子電池最(zui)具前景的(de)(de)替代者。然而(er)Li-S電池在(zai)鋰(li)(li)化(hua)/脫(tuo)鋰(li)(li)過程中，在(zai)硫(liu)正極和鋰(li)(li)負極之間溶解的(de)(de)多硫(liu)化(hua)物(wu)(PSs)所引起的(de)(de)“氧化(hua)還原穿(chuan)梭效(xiao)應”導致它們在(zai)實際應用中的(de)(de)循環壽(shou)命較短(duan)。

人(ren)們(men)已經采(cai)取各種(zhong)方法(fa)(fa)去改善上述(shu)問題，其(qi)中最普遍的(de)策略(lve)是(shi)采(cai)用(yong)(yong)具(ju)有(you)高(gao)比表面積(ji)的(de)納米(mi)結(jie)構碳材料，通過(guo)物理限制作用(yong)(yong)進行PS的(de)捕獲。另一種(zhong)有(you)效的(de)方法(fa)(fa)是(shi)使用(yong)(yong)極(ji)性(xing)材料通過(guo)化學(xue)相互作用(yong)(yong)進行PS的(de)捕獲。

但碳(tan)的(de)非極性(xing)通(tong)常(chang)導(dao)致循環性(xing)能不佳(jia)，極性(xing)材料的(de)低電(dian)導(dao)率(lv)(lv)導(dao)致硫(liu)的(de)利用(yong)率(lv)(lv)低，倍率(lv)(lv)性(xing)能差。碳(tan)材料與PS的(de)結合能力(li)可以通(tong)過元(yuan)素(su)的(de)摻雜、分層結構、石墨(mo)烯的(de)包覆等來改善，極性(xing)材料的(de)電(dian)導(dao)率(lv)(lv)可以通(tong)過氫還原(氫化O2)或(huo)獨特的(de)碳(tan)/極性(xing)材料雜化結構來改善。

但這些復雜的制(zhi)備(bei)過程降低了其可(ke)行性(xing)，因此有必要(yao)開發一種簡(jian)單但可(ke)以(yi)顯(xian)著提高硫正極(ji)的循環(huan)性(xing)能，同時保持(chi)良好倍率性(xing)能的有效材料制(zhi)備(bei)方法。

鋰(li)硫(liu)電池的穿梭效應(ying)理(li)解(jie)

使用密封(feng)封(feng)裝層包裹(guo)PS是解(jie)(jie)決Li-S電池穿梭(suo)效應最(zui)直觀的(de)(de)方法(fa)。有(you)效的(de)(de)封(feng)裝策略取決于硫和電解(jie)(jie)液同(tong)(tong)時封(feng)裝的(de)(de)智能阻(zu)(zu)擋(dang)層，其允許Li+的(de)(de)通(tong)過，阻(zu)(zu)止PS積聚的(de)(de)同(tong)(tong)時并抑制(zhi)溶(rong)解(jie)(jie)的(de)(de)PSs向負(fu)極的(de)(de)遷移。

負(fu)極在低于1.0V的(de)充放電(dian)過程中會產(chan)生固(gu)體電(dian)解(jie)液界面(mian)(mian)膜(mo)(mo)(SEI)，以(yi)非(fei)常簡單(dan)的(de)方式在鋰離子電(dian)池的(de)碳和Li負(fu)極表(biao)面(mian)(mian)上(shang)獲得阻(zu)擋層(ceng)。這(zhe)種SEI膜(mo)(mo)可以(yi)阻(zu)止負(fu)極與(yu)外部電(dian)解(jie)液接觸，防止負(fu)極與(yu)電(dian)解(jie)液發生進一步(bu)不可逆(ni)和不利的(de)反應。

目前(qian)，利(li)用(yong)高比表(biao)面積(ji)的(de)碳(tan)材料物(wu)(wu)理吸附(fu)多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)和(he)利(li)用(yong)極(ji)性(xing)氧化(hua)物(wu)(wu)化(hua)學吸附(fu)多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)是(shi)抑制多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)穿梭的(de)主(zhu)要方(fang)法(fa)(fa)。與之相比，將多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)限域(yu)在(zai)一個(ge)密閉(bi)空間中(zhong)是(shi)一種更加直(zhi)接有(you)效的(de)策略。然而，長(chang)期以(yi)來，這種方(fang)法(fa)(fa)并(bing)沒有(you)取得很好的(de)成(cheng)效。這是(shi)因(yin)為如果僅(jin)僅(jin)將多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)固定在(zai)密閉(bi)環境(jing)中(zhong)，多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)不(bu)能與電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)液(ye)接觸，使之不(bu)能溶于電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)液(ye)，沉(chen)積(ji)于導電(dian)(dian)(dian)材料表(biao)面。由于硫(liu)及(ji)其反(fan)應(ying)物(wu)(wu)的(de)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)極(ji)差，硫(liu)的(de)反(fan)應(ying)只能在(zai)導電(dian)(dian)(dian)材料表(biao)面發(fa)生(sheng)，所以(yi)沉(chen)積(ji)的(de)多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)會(hui)影響后續硫(liu)反(fan)應(ying)的(de)充分進行，造(zao)成(cheng)硫(liu)的(de)利(li)用(yong)率低。因(yin)此，如何(he)將多(duo)硫(liu)化(hua)物(wu)(wu)與電(dian)(dian)(dian)解(jie)(jie)(jie)液(ye)同時密閉(bi)，是(shi)這種方(fang)法(fa)(fa)實現成(cheng)效的(de)前(qian)提(ti)。

在(zai)鋰(li)離子電池中，SEI膜(mo)經(jing)常(chang)被用來隔(ge)絕負極材料(碳(tan)，鋰(li)等)與電解液的(de)接觸。而(er)且SEI膜(mo)僅僅需要在(zai)1V(vs.Li+/Li)以下幾次充放電即可(ke)形成，非常(chang)方便(bian)。受此啟發，近(jin)期(qi)，大連理(li)工(gong)大學張(zhang)鳳(feng)祥教授和武漢(han)理(li)工(gong)大學劉(liu)金平教授等人提出了預生長固(gu)態電解質界(jie)面膜(mo)(SEI)包覆的(de)碳(tan)(多孔碳(tan)球、三維碳(tan)納米管陣列等)/硫(liu)復合正極，顯著提高了硫(liu)電極的(de)循環穩定性。

研(yan)究(jiu)者首(shou)先利用SEI膜作(zuo)為一種智能(neng)的(de)阻隔層將(jiang)硫與電解液密封于多孔碳球(qiu)中，這(zhe)樣，作(zuo)為正(zheng)(zheng)極(ji)充(chong)放電時(shi)，多硫化(hua)物可以溶(rong)解但不(bu)能(neng)穿梭(suo)，有(you)效(xiao)地抑制(zhi)了穿梭(suo)效(xiao)應(ying)。而且(qie)SEI膜非(fei)常“智能(neng)”地既阻礙多硫化(hua)物的(de)溶(rong)出，又(you)允許鋰離子的(de)傳導，使得(de)電極(ji)反應(ying)能(neng)夠充(chong)分進(jin)行，展(zhan)現優異的(de)穩定性(xing)。進(jin)一步，他們(men)將(jiang)這(zhe)種方法推(tui)廣至(zhi)其(qi)它形貌(mao)的(de)碳基硫正(zheng)(zheng)極(ji)，取得(de)了良(liang)好的(de)效(xiao)果;并構筑了三(san)維碳納米管CNT/S復合陣(zhen)列(lie)電極(ji)，深入研(yan)究(jiu)了SEI包覆對電極(ji)庫倫效(xiao)率和倍率性(xing)能(neng)的(de)影響(xiang)，驗證和揭示了SEI膜抑制(zhi)“穿梭(suo)效(xiao)應(ying)”的(de)微觀過(guo)程及機理。