锂硫电池硫正极材料研究现状与展望.pdf

·６４·材料导报Ａ：综述篇２０１１年９月（上）第２５卷第９期

锂硫电池硫正极材料研究现状与展望

胡宗倩，谢凯

（国防科学技术大学航天与材料工程学院，长沙４１００７３）

摘要综述了锂硫电池硫正极材料的研究现状。针对锂硫电池目前存在的问题，展望了其发展趋势，并指出
硫／有序多孔碳纳米复合材料对提升锂硫电池性能有重要研究价值；同时形成三维空间传导网络的导电添加剂和具
有良好粘接性、导电性及电化学稳定性的粘结剂对锂硫电池性能提升也具有重要作用。
关键词锂硫电池正极复合材料粘结剂导电剂
中图分类号：ＴＭ９１２．９

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＳｕｌｆｕｒＥｌｅｃｔｒｏｄｅｏｆＬｉｔｈｉｕｍ／ＳｕｌｆｕｒＢａｔｔｅｒｉｅｓ
ＨＵＺｏｎｇｑｉａｎ，ＸＩＥＫａｉ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３）

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｓｕｌｆｕｒｅｌｅｃｔｒｏｄｅｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍ／ｓｕｌｆｕｒｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｃｏｎ－
ｄｕｃｔｏｒ，ｂｉｎｄｅｒａｎｄａｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｉｎｇｆｏｒｓｕｌｆｕｒｅｌｅｃ－
ｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｓｕｌｆｕｒ／ｏｒｄｅｒｅｄｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ
ｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍ／ｓｕｌｆｕｒｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｏｆｏｒｍａ３Ｄｗｉｒｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｂｉｎｄｅｒｗｉｔｈｇｏｏｄｓｔｉｃｋｉｎｇａ－
ｂｉｌｉｔｙ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ
ｌｉｔｈｉｕｍ／ｓｕｌｆｕｒｂａｔｔｅｒｉｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｉｔｈｉｕｍ／ｓｕｌｆｕｒｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｂｉｎｄｅｒ，ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

的电化学还原反应。低压放电平台（～２．１Ｖ）代表固体产物
０引言
（Ｌｉ２Ｓ２、Ｌｉ２Ｓ）的出现。当所有硫由于电化学反应或化学寄生
锂硫电池硫正极材料是近年来高容量电池电极材料研反应而消耗殆尽，或当不溶于电解液溶剂的硫化物覆盖硫正
究的热点之一。与传统锂离子电池氧化物电极材料（如Ｌｉ－极并阻塞电荷传输通道时，电压迅速下降，反应停止。

ＣｏＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４等）相比，硫正极材料在比容量、能量密度和一般认为，尽管产生于正极的可溶性高氧化态多硫化锂
功率密度等方面具有独特的优势。单质硫的理论比容量为和溶解的硫原子会扩散至锂负极，与金属锂发生寄生反应生
１６７５ｍＡｈ／ｇ，与理论比容量为３８６１ｍＡｈ／ｇ的金属锂组装成成中间氧化态多硫化锂，但是，这些中间氧化态多硫锂会扩
电池后理论比能量可达２６００Ｗｈ／ｋｇ［１－３］。此外，单质硫还具散回硫正极并反应生成高氧化态多硫化锂，从而产生飞梭效
有来源丰富、成本低、对环境友好、电池安全性好等优点，不应，导致硫正极活性材料利用率降低、锂负极腐蚀和电池循
仅符合电动汽车（ＥＶ）对动力电池的要求，也满足便携式电环性能恶化［１０］。另外，单质硫的室温电导率极低（５×１０－３０
子产品对化学电源轻量化、小型化、低成本和无毒的要求［４］。Ｓ／ｃｍ）［１１］，是典型的电子和离子绝缘体，因此作为电极材料
众所周知，硫的电化学还原反应由一系列复杂的电荷转使用时必须添加导电剂。锂硫电池常用导电剂一般为炭黑，
［］
移反应和均相化学反应构成５－９。在锂硫电池首次放电过程占电极总质量的２０％～７０％［１２－１６］。这不仅会降低电极材料

中，正极组分中的单质硫（Ｓ８（ｓ））首先溶解到电解液中形成的能量密度，而且作为导电材料的炭黑电化学活性低，在充

Ｓ８（ｌ），然后在电荷传导材料（碳）表面被还原成较低氧化态的放电过程中易聚集而失去活性。这一系列的问题都导致正
２－２－
硫离子（Ｓ２、Ｓ），其间伴随着硫离子之间一系列化学偶联极活性物质利用率低和电池循环稳定性能差。本文着重介
反应发生。此化学反应表现为不成比例的低氧化态硫离子绍了硫正极材料改性研究的最新进展，并对其可能的发展趋

２－２－２－
（Ｓ２、Ｓ）和高氧化态硫离子（Ｓ８）发生反应生成中间氧化势进行了分析和预测。为解决锂／硫