锂硫电池功能化夹层的研究综述 材实验1301 赵文凯 前言 21世纪，随着电动汽车产业与储能技术的迅速发展，全球对清洁与可持续能源需求的日益增加，发展高能量密度二次电池的任务也越来越迫切。

目前，科学家们致力于寻求新型的高能材料以获得更高能量密度的二次电池，满足目前通讯产业、电动汽车等产业的迅速发展。

[1-3] 具有高理论比容量(1672mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)的锂硫电池备受关注锂硫电池的主要问题有: 正极活性物质不导电活性差；电化学反应中间产物 〖Li〗_2 S_n (4≤n≤8)在正负极之间来回穿梭(即飞梭效应)；放电终产物〖Li〗_2 S_2 /〖Li〗_2 S在正极碳骨架沉积造成碳骨架失活、锂负极的高活性及充放电过程电池体积膨胀等诸多原因造成活性物质损失和电池容量衰减。

针对目前锂硫电池存在的问题，研究工作主要集中在通过正极结构和电解液的优化解决锂硫电池的活性物质利用率低、循环性能差、库伦效率低的问题。

近些年研究人员将碳膜引入到锂硫电池中，在正极与隔膜之间引入功能性的碳膜。

锂硫电池的反应机理 锂硫电池在充放电过程中发生了涉S#8212;S键断裂和生成的多步电化学反应，这是一个包含了一系列均相化学反应和电荷转移反应的复杂过程[4]。

总的电化学反应过程可表述为S 2〖Li〗^ 2e → Li_2S，放电过程具体可以分为4个区域（如图1）。

区域I：环状硫分子S_8被还原成高价态多硫化锂〖Li〗_2 S_8，即S_8 2Li→〖Li〗_2 S_8，这个过程对应了锂硫电池在2.2-2.3 V之间的第一个放电平台；区域II：可溶性高价态多硫化锂转化为可溶性低价态多硫化锂，即 〖Li〗_2 S_8 2Li →〖Li〗_2 S_(8-n) 〖Li〗_2 S_n，在这个过程中，电池的电压稳步下降，随着反应的进行长的S#8212;S键逐渐断裂，生成更多的低价态多硫化物溶解在电解液中，使得溶液的黏度逐渐增加，反应结束时，溶液的黏度达到最大值；区域 III：可溶性低价态多硫化锂转 化为难溶性的〖Li〗_2 S_2和〖Li〗_2 S，2〖Li〗_2 S_n (2n-4)Li→ n〖Li〗_2 S_2，〖Li〗_2 S_n (2n-2)Li→n〖Li〗_2 S这个过程对应了锂硫电池在1.9-2.1V之间的第二个放电平台，该平台是锂硫电池的主要容量贡献区域；区域IV：难溶性〖Li〗_2 S_2转化为难溶性〖Li〗_2 S的固相反应过程 〖Li〗_2 S_2 2Li→2〖Li〗_2 S，固态反应物和产物不仅难溶且导电性差，故这是一个动力学上极其缓慢的过程。

2．锂硫电池在发展中的主要问题 锂硫二次电池存在的主要问题[5-6]： (1)硫电极在放电过程中产生多种聚硫化锂中间产物易溶于电解液，导致电极活性物质的溶解流失，从而造成硫电极的循环稳定性差； (2)无论是单质硫还是硫化锂都是绝缘体，导电性差，不利于电池的高倍率性能； (3)单质硫和锂负极在电化学反应时会发生相应的体积收缩和膨胀，导致正负极体积反复发生变化，有可能导致电池的损坏； (4)溶解的聚硫化锂在正极与负极之间发生氧化还原”穿 梭反应”，会引起有效活性物质在正极的损失、使充电过程的库仑效率降低以及出现自放电现象； (5)金属锂电极由于其化学活性，充放电过程形成枝晶与”死锂”，体积变化巨大，SEI层反复形成-破裂，消耗电解液的溶剂，导致电池失效。

(6) 单质硫和Li_2S的密度存在较大差异，在循环过程中还会出现明显的体积膨胀，造成硫正极结构的破坏。