本刊推荐 | 郑州大学付永柱课题组：锂硫电池电解液添加剂的研究进展

全文速览

因为能量密度高、成本低等优点，锂硫电池成为最有前景的下一代电池体系之一。然而，锂硫电池的实际应用仍面临着严峻挑战，如硫和硫化锂的低电导率、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶的生长等。通过电解液的优化，可以改善电极|电解质界面，减弱副反应，提高电池性能。其中，电解液中的功能添加剂能有效调节电极界面和电池的氧化还原机制。本文系统性总结了锂硫电池添加剂的最新研究进展，并根据添加剂对锂金属负极的保护作用和对硫正极的稳定作用进行了分类。另外，本文详细讨论了添加剂在硫正极的作用，如抑制多硫化物的溶解和穿梭、充当氧化还原介质、激活硫化锂的沉积与溶解等。最后，本文展望了锂硫电池添加剂的发展前景，希望能对高性能锂硫电池电解液的设计提供借鉴。

背景介绍

随着化石燃料的消耗和环境污染的日益严重，发展新的可再生能源显得至关重要。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长，主导着目前消费类和动力电池市场。但锂离子电池受到电极材料理论容量的限制，其能量密度已难有明显提高。锂硫电池采用金属锂作为负极，单质硫作为正极，具有更高的理论容量和能量密度，且成本更低，环境友好。然而，锂硫电池的实际应用仍然面临巨大挑战。如高溶解性多硫化锂的“穿梭效应”，以及硫和硫化锂的低电导率和低溶解度，且高活性的金属锂易与电解质发生反应，形成不稳定的界面和锂不均匀沉积导致的枝晶生长问题等。因此，需要采取适当的应对策略，来优化改善锂硫电池的性能。

研究出发点

通常的改进策略包括设计新的硫宿主材料，功能化隔膜，锂负极表面修饰等，其中电解液的优化是提高锂硫电池性能的便捷途径，因为电解质不仅作为电荷传输的载体，还极大的影响电极界面反应。而相较于调节电解质溶剂和盐或开发新的电解质，引入添加剂是一种更经济、方便和有效的方法。少量的电解液添加剂就可以显著改变电解质的性能，如减少电解质与锂金属的副反应、缓解多硫化锂的穿梭效应、改善电极反应动力学等。本文对锂硫电池电解液添加剂的最新研究进展进行了综述和分类。从添加剂的功能出发，讨论了各种添加剂的工作原理、优缺点。同时，分析了添加剂对电池整体性能的影响。最后对锂硫电池添加剂的进一步开发和应用前景进行了展望。

图文解析

图1 (a) SiCl4杂化SEI的形成过程和反应机理；(b) 硝酸化C60对锂沉积的影响和相应锂硫电池在2C下的循环性能；(c) 不同溶质和溶剂的分子轨道能量以及 (d) 添加KPF6后锂沉积的示意图；(e) 添加N,S掺杂碳点后 Li-Cu半电池中Li沉积过程的电压曲线和 (f) Li-Li对称的过电位随电流的函数关系。

图2 (a) -[MB-Li2Sn]-的形成机制和 (b) 添加MB的rGO/S-Li电池在1C下的循环性能；(c) 含N掺杂碳点和空白电解液与LiPSs相互作用的光学照片；(d) 硫化二氯苯醌的原位固化和放电过程示意图；(e) 硫-菲醌-石墨复合材料的形成示意图和(f) 含菲醌锂硫电池在0.5 C下的长期循环性能。

图3 (a) 二硫化物氧化还原介质在锂硫电池中的作用示意图；(b) 含有机二硒化物硫正极的反应途径示意图；(c) 1,4-苯二硫酚在锂硫电池中的反应原理图和 (d) 氧化还原机理；(e) 苯三硫酚分别与Li和S的反应途径以及(f) 含有苯三硫酚的锂硫电池在1C下的长循环性能。

图4 (a) 锂硫电池中氧化还原介质对Li2S活化示意图；(b) 含不同添加剂Li-Li2S电池的循环伏安图；(c) 含菲醌添加剂的Li-Li2S电池的循环性能和(d) 相应的高载量Li2S的循环性能；(e) 全固态Li-Li2S电池中的Li2S活化方案以及(f) 有无氧化还原介质下的电压曲线。

图5 高性能锂硫电池电解质添加剂的挑战和前景

总结与展望

本文从电解液添加剂的角度对锂硫电池目前面临的挑战和相应的解决方案进行了简要的分析，主要结论和展望如下：严重的穿梭效应和缓慢的动力学制约了高能量密度硫正极的应用，而对于锂金属负极，不稳定的界面层和锂枝晶的生长进一步破坏了其电化学性能。在此背景下，通过合理的添加剂调节锂硫电池的整体性能有着巨大的发展潜力。一般来说，有机添加剂的功能主要取决于官能团，因此，有必要结合理论计算指导功能添加剂的分子结构设计，并对添加剂的组分进行调整和优化，使添加剂分子实现多种功能，包括稳定多硫化物，促进硫化锂氧化，保护锂金属等。此外，采用先进的原位表征技术，分析添加剂的工作机理和相互作用机理也很重要。最后，添加剂的环境友好性、兼容性和成本也需要仔细考虑。总之，电解液添加剂作为一种简便有效的锂硫电池优化途径，将在高性能、高安全的锂硫电池中发挥至关重要的作用。

课题组介绍

付永柱，郑州大学化学学院特聘教授，博士生导师。2007年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程专业。2017年回国前在印第安纳大学-普渡大学联合分校担任助理教授。目前承担NSFC-河南联合重点项目、国家自然科学基金面上和河南省创新引领专项课题等项目。研究领域包括高能量电池电极材料、高离子选择性膜材料、及高效催化材料。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., Nat. Commun., PNAS, Acc. Chem. Res.等国际著名期刊上发表论文150余篇。担任能源领域期刊Energy & Environmental Materials副主编。

课题组网页：http://www.fuchemlab.org/

关于本文

本文已在网络优先出版，将收录于《电化学》期刊的《锂硫电池专辑》。

引用格式：

张修庆, 唐帅, 付永柱. 锂硫电池电解液功能性添加剂研究进展[J]. 电化学,doi: 10.13208/j.electrochem.2217005.

Xiuqing Zhang, Shuai Tang, Yongzhu Fu. Recent Advances of Functional Electrolyte Additives for Lithium-Sulfur Batteries[J]. Journal of Electrochemistry,doi: 10.13208/j.electrochem.2217005.

DOI：

10.13208/j.electrochem.2217005.

http://electrochem.xmu.edu.cn/CN/10.13208/j.electrochem.2217005

点击文末“阅读原文”免费下载、浏览PDF全文。

相 关 推 荐

关 于 我 们