摘要：

尽管锂-硫电池（LSBs）被认为是有前景的下一代二次电池但由于可溶性锂多硫化物（LiPSs）的“穿梭效应”和不可控的锂枝晶生长等关键问题，其大规模商业化尚未实现。因此，大多数关于LSBs的综述主要集中在抑制穿梭行为和实现无枝晶LSBs的策略上，以提高LSBs的循环寿命和库仑效率。然而，LSBs具有多种有前景的优势，包括超高能量密度（2600 Wh kg⁻¹）、成本效益、环保、重量轻和灵活性，这些特性表明它们在要求这些特性的领域中，当前及近未来的实际应用是可行的，尽管其使用寿命适中。在这里，首次全面讨论了阻碍LSBs当前及近未来应用的挑战。特别是，总结了基于其电化学特性的最新进展和新材料，重点关注重度/体积能量密度（容量）、阴极中的负载质量和硫含量、电解质与硫的比例、速率能力，以及在特定领域应用中最大化这些优势特性。此外，建议了LSBs的潜在实际应用领域，并从不同的角度提出了改善LSB性能的见解，以促进其在各个应用领域的整合。

文章简介：

锂离子电池（LIBs）由索尼于1990年代商业化，已成为电子产品、显示器和工业机械等多个领域的主要能源存储解决方案，并作为重要的电化学能量存储设备。根据Vantage市场研究报告，受2012年特斯拉Model S推出的推动，电动汽车（EV）市场的激增使全球EV市场在2023年的估值达到3920亿美元，预计到2024-2032年期间年均增长率为14%，市场规模将超过12590亿美元（图1a）。随着EV市场的扩展，LIBs的需求也在不断上升（图1b）。LIBs的整体市场，包括用于电池回收的部门，年均增长显著。此外，EV和大规模能源存储系统（ESS）市场的扩大突显了开发能够容纳更大能量容量的电化学能量存储设备的迫切需求。为应对这一需求，具有更高能量/功率密度、延长循环稳定性、低生产成本和更高安全性的下一代二次电池必须迅速投放市场，以有效整合到大型电动设备/车辆中。在这些电池中，锂金属电池（LMBs）、锂-空气电池、钠离子电池和锂-硫电池（LSBs）被认为是下一代二次电池的有前景的解决方案。

由于具有高理论容量、低成本、轻量化和硫的丰富性等优点，锂-硫电池（LSBs）作为阴极材料引起了广泛关注。特别是，硫阴极的理论容量显著高于传统阴极材料，如LiNi_xMn_yCo_zO₂（NCM）、LiFePO₄（LFP）等，约为其10倍（图1c），因此能够实现超高能量密度。此外，低成本是降低电池单元总生产成本的最重要因素，如图1d所示，突出成功实际应用后可能带来的经济效益。尽管具有这些优点，LSBs仍存在关键限制，这使其无法完全取代锂离子电池（LIBs）。典型的LSBs由多孔碳/硫阴极、有机电解液和锂金属阳极组成。在充放电循环之前，由于阴极缺乏锂源，需进行锂化（放电）。在放电过程中，环八硫（S₈）作为一种含有八个硫原子的同聚环状化合物，被还原为长链锂多硫化物（LiPSs）（Li₂S_x，4 < x ≤ 8）。随后，它进一步还原为短链LiPSs（Li₂S_x，2 < x ≤ 4）。这两个还原过程发生在约2.3−2.1 V（相对于Li/Li⁺）。在充电过程中，放电过程的最终产物Li₂S理论上被氧化为环八硫（S₈）。在这些反应中，会形成已知在循环过程中可溶于电解液的中间LiPSs，导致“穿梭效应”。这是产生大规模不可逆库仑效率（CE）的主要原因，严重影响着LSBs的寿命恶化。

图1. (a) 2023年至2032年电动汽车市场价值；(b) 2018年至2030年按应用（消费电子、能源存储和电动汽车）划分的全球电池需求；(c)锂-硫电池（LSBs）与锂离子电池（LIBs）之间的重度和体积能量密度比较；(d) LSBs与LIBs中阴极材料的成本比较

此外，尽管锂-硫电池（LSBs）的理论能量/功率密度值远高于实际值，但在实践中实现优越的能量/功率密度的困难也是阻碍LSBs商业化的一个重要因素。这主要归因于电极材料的特性，包括电子导电性差、硫阴极的低含量比、加载质量、低电解质与硫的比例（E/S比）以及阳极和阴极的低利用率。“穿梭效应”也会阻碍高能量/功率密度的实现，因为它们与硫阴极和锂金属阳极的低利用率直接相关。为了解决这些挑战，已经尝试了多种解决方案，例如在阴极中使用承载材料、在阴极或隔膜上制造锂离子导电膜、以及对硫/碳复合材料进行封装以推动LSBs的商业化。

尽管存在上述问题，锂-硫电池（LSBs）仍被预期成为需要高能量/功率密度的大型设备（如电动汽车（EV）和能源存储系统（ESS）的下一代能源来源。此外，与传统锂离子电池（LIBs）相比，其固有的轻量化特性使得LSBs在轻型无人机（UAVs）和可穿戴设备的能源存储装置中的应用前景备受期待，这一观点最早由Herbert和Ulam等人提出。

文章结论：

在本综述中，我们提供了关于提高锂-硫电池（LSBs）能量/功率密度的近期先进有效策略的广泛概述，旨在满足当前和近未来的应用需求。特别是，我们全面总结了改善可充电电池四个关键组件的策略：阴极、阳极、隔膜和电解质材料，如图2所示。

图2.总结实现锂-硫电池（LSBs）在当前和近未来应用中高能量密度所需的代表性策略

1. 提高能量密度：必须在硫阴极中实现高质量负载和硫含量。特别是，这些阴极的导电性和溶解性差是导致低质量负载和硫含量的主要原因，直接影响LSB全电池的能量密度。为解决这些问题，提出了多种方法，如引入催化剂和先进的承载材料，以及重新考虑制造工艺和粘合剂。

2. 实现高功率特性：针对硫阴极，已经开发出几种具有优良电子导电性和良好接触硫的材料。特别是，有效催化的使用被认为是提高硫阴极高功率特性的关键方法，通过促进硫的氧化还原反应，增加硫活性材料的利用率并增强其吸附能力。

3. 锂阳极的关键问题：在实现高能量密度方面，最关键的问题是抑制与LiPSs的副反应以及金属锂枝晶的生长，因为这些会污染电解液和锂表面，降低锂金属阳极的有效性。从这个角度来看，人造表面层、固体电解质界面（SEI）和非金属阳极得到了主要应用，其中人造表面层的研究最为活跃。

4. 隔膜：LiPSs的捕获和高锂离子导电性被视为实现LSBs高功率特性和能量密度的关键因素。因此，通常引入具有良好对多硫化物（PSs）吸附性能和锂传输通道的材料。

5. 电解液优化：电解液必须优化，以获得低E/S比和高功率特性，并保护阳极和阴极的表面，抑制LiPSs的穿梭效应和Li2S引起的阴极钝化。研究了各种溶剂、盐和添加剂，特别关注其多功能特性。

通过这些策略的实施，LSBs的性能有望得到显著提升，为其在实际应用中的整合奠定基础。

文章信息：

Recent Advances in Achieving High Energy/Power Density of Lithium–Sulfur Batteries for Current and Near-Future Applications

Junyoung Heo, Hawon Gu, Changhee Lee, Junghwan Sung, Dong-Hee Kim, Jiye Han, Yeong-Seok Oh, Seongki Ahn, Il Jeon, Jun-Woo Park