北理黄佳琦/袁洪Adv. Sci.：500 Wh/kg锂硫电池的负极材料选择

锂硫（Li-S）电池因其高达2600 Wh kg^-1的超高理论能量密度而被认为是最有前途的下一代储能系统之一。然而，锂金属负极在循环过程中会发生剧烈的体积变化、多硫化物电解液的持续腐蚀和枝晶形成，导致循环寿命有限。考虑到锂金属负极是一把双刃剑，有助于超高能量密度但会造成有限的循环寿命，有必要评估锂基合金作为负极材料以替代锂金属用于高性能Li-S电池。

北京理工大学黄佳琦、袁洪等系统地评估了使用锂金属或锂基合金构建实际能量密度为500 Wh kg^-1的Li-S电池的潜力和可行性。

图1 不同负极材料的Li-S电池在一级评价时的理论能量密度

在此作者提出了一种三级定量分析方法，通过考虑目标能量密度500 Wh kg^-1所需的电解液量，逐步筛选负极材料。在第一级，只考虑活性材料的重量，电极比容量设为理论值。在第二级，电解液被视为关键标准，电极比容量设置为实验报告值。

在第三级，能量密度是基于Li-S软包电池的所有组件（包括集流体和封装）计算的。按照上述方法，这里考虑了十种负极材料，除了锂金属外，只有Li-Mg合金证明了实现 500 Wh kg-1 Li-S软包电池的可行性。

图2 评估达到500 Wh kg^-1能量密度目标所需的电解液量

在此基础上，作者讨论了近年来Li-Mg及其它锂基合金的研究进展，并展望了其发展前景。尽管单独使用其他锂基负极材料并不能实现高能量密度，但它们与锂金属的组合来制造复合负极对于解决锂金属负极的挑战是可行的。

目前，在Li-S电池中使用合金负极材料替代锂金属负极的研究已有多项。相信先进锂基负极的开发将为实现长循环500 Wh kg-1 Li-S电池及以上做出重大贡献。

图3 在第三个评估级别的实用Li-S软包电池的能量密度

Anode Material Options Toward 500 Wh kg−1 Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103910

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