InfoMat：锂硫电池会成为下一个超越锂离子电池，甚至更好的电池吗？

锂离子电池（LIBs）无疑是目前几乎所有便携式电子设备、电动汽车、甚至大型固定式储能设备中的主力军。鉴于LIB所面临的困境，出现了一个大问题，即哪种电池将是”LIBs”的选择。在领跑者中，锂硫电池（LSBs）由于其固有的高能量密度和极低的成本而被广泛地追求。尽管在过去的十年中，在实验室规模的硫化学和电池性能方面取得了稳定、甚至令人激动的进展，但主要的瓶颈之一是LIB循环性。

新加坡国立大学John Wang、同济大学潘争辉等研究了LSB所面临的关键挑战和机遇，以及在材料、电极/电解质和电池集成层面上可以采取的方法，以使LSB在追求”超越LIBs”的过程中从一个排头兵变成一个真正的领先者。虽然关键的新机理见解非常重要，但作者提出了一套液态和固态LSB的近期研究方向，目前正在进行的液态和固态LSB的平行研究将在此汇聚。在未来十年LSBs的预期商业化过程中，”液态现状”将逐渐被”固态未来”所取代。

图1. 硫化学和路线图

迟缓的多硫化物反应动力学、惰性电子/离子特性、多个固/液转换反应的动态挑战以及多硫化物穿梭被认为是LSBs路线图中的基本挑战，因此需要采取系统的方法来探索有效的策略。通过在不同固/液反应中与不同硫物种结合的异步转换介体的新设计，连续分步的介体氧化还原转换是促进多步多硫化物转换过程的一个有价值的方法。

此外，分步催化剂的概念也是对介体的良好补充，特别是在高硫负载条件下。考虑到催化过程中的动态表面重建，应该强调催化剂的稳定性。通过原位和/或实时表征技术跟踪动态重建，以建立对催化活化深入机理的了解，将具有很大的价值。此外，与”高浓度”原则不同，这种”以空间换盐”的新概念可以成为解决多硫化物穿梭问题的可行方法，即在溶剂化鞘上施加空间限制，以控制离子-溶剂复合体并去除自由溶剂分子。

图2. 硫和锂对实用锂硫电池的挑战

针对以LIBs为主的大规模实际应用，全固态LSBs是最终目标。然而，尽管目标很明确，但仍有几个关键问题得到解决。在各种固态电解质中，软硫化物和卤化物基电解质因其易于制备和高性能而受到特别关注。

因此，应致力于探索大规模的空气稳定合成工艺，以满足商业应用的低成本期望。减薄电解质和增厚硫正极是最终推动能量密度超过800 Wh kg^-1的有效途径之一，其中在正极内建立快速的Li⁺/e^–传输“高速公路”是关键。在目前的状态下，LSBs仍然是“未加工的钻石”，但稳步发展最终将缩小学术研究与工业发展之间的差距，并使LSBs在不久的将来成为“超越LIBs”时代的领先者。

图3. 锂硫电池商业化发展的路线图和指标

Will lithium-sulfur batteries be the next beyond-lithium ion batteries and even much better? InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12359

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