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硫基复合材料的设计制备及其在锂硫电池中的应用研究
设计制备硫基复合材料及其在锂硫电池中的应用研究
摘要：
锂硫电池作为一种高能量密度的二次电池，由于具有高理论容量和低成本的优势，广泛应用于电动车辆和储能等领域。然而，锂硫电池在实际应用中遇到了许多挑战，如硫的低导电性、极化效应和容量衰减等。为了解决这些问题，研究人员在锂硫电池中引入硫基复合材料，以实现其高性能和稳定性。本文综述了硫基复合材料的设计制备方法，并重点讨论了其在锂硫电池中的应用研究。
关键词：硫基复合材料，锂硫电池，高性能，稳定性
引言：
锂硫电池是一种以锂为负极和硫为正极的二次电池。相比于传统的锂离子电池，锂硫电池具有更高的理论容量（1675mAh/g）和能量密度（2600Wh/kg）[1]。此外，硫资源丰富且低廉，使得锂硫电池在成本上具有优势。因此，锂硫电池被广泛应用于电动车辆、储能和航空航天等领域。
然而，锂硫电池在实际应用中也存在一些问题。首先，硫具有低导电性，导致电池内阻增加。其次，锂硫电池在充放电过程中会产生大量的多相反应，导致极化效应明显。第三，硫与锂的化学反应会导致第一次和循环性能的衰减。
为了解决这些问题，研究人员在锂硫电池中引入了硫基复合材料。硫基复合材料能够提高硫的导电性、增加硫的利用率，并抑制硫与锂的化学反应。因此，设计制备高性能和稳定性的硫基复合材料是锂硫电池研究的关键。
二、硫基复合材料的设计制备方法
硫基复合材料的设计制备方法主要包括两个方面：载体材料设计和硫包覆/负载方法。
1.载体材料设计
载体材料是硫基复合材料中的重要组成部分，它可以提供导电路径和缓冲硫的体积膨胀。常用的载体材料包括碳材料（如碳纳米管、石墨烯和多孔碳等）、金属氧化物（如二氧化钛和氧化锌等）和有机聚合物等。这些材料具有良好的导电性、高比表面积和一定的化学惰性，适合作为硫基复合材料的载体。
2.硫包覆/负载方法
硫包覆/负载方法是将硫纳米颗粒稳定地包覆在载体材料上，以减少硫的极化效应和容量衰减。目前常用的方法包括物理包覆、化学包覆和物理负载等。物理包覆是将硫颗粒与载体材料通过物理力学手段结合，如机械混合、溶胶凝胶和湿法沉积等。化学包覆是通过化学手段将硫包覆到载体材料上，如原位聚合、溶胶-凝胶反应和热原位反应等。物理负载是将硫负载在载体材料上，如溶液浸渍法、固相混合法和气相沉积法等。
三、硫基复合材料在锂硫电池中的应用研究
硫基复合材料在锂硫电池中的应用主要包括正极材料、负极材料和分隔膜材料。
1.正极材料
正极材料的选择对锂硫电池的性能有重要影响。硫基复合材料可以作为正极材料的载体，提供导电路径和缓冲硫的体积膨胀。例如，石墨烯包覆硫通过提高硫的导电性和减少极化效应，显著提高了锂硫电池的循环稳定性和容量保持率[2]。此外，硫基复合材料还可以调控硫与锂的化学反应，减少硫的溶解和枝晶生长。
2.负极材料
负极材料的选择对锂硫电池的循环性能和安全性有重要影响。硫基复合材料可以作为负极材料的载体，提供导电路径和缓冲锂的体积膨胀。同时，硫基复合材料还可以提供反应界面，促进锂硫电池中锂离子的储存和释放。
3.分隔膜材料
分隔膜在锂硫电池中起到隔离正负极的作用，同时允许锂离子的传导。硫基复合材料可以作为分隔膜的增强层，提高分隔膜的力学性能和热稳定性。此外，硫基复合材料还具有一定的化学惰性，可以抑制硫在锂硫电池中的溶解和穿透。
结论：
硫基复合材料具有广阔的应用前景，在锂硫电池领域发挥了重要作用。通过设计制备高性能和稳定性的硫基复合材料，可以提高锂硫电池的能量密度、循环性能和安全性。未来，研究人员还需进一步探索硫基复合材料在锂硫电池中的应用，以实现更大的突破和进展。
参考文献：
[1]Manthiram,A.,Fu,Y.,&Su,Y.S.(2014).Challengesandprospectsoflithium–sulfurbatteries.Accountsofchemicalresearch,46(5),1125-1134.
[2]Peng,H.J.,Huang,J.Q.,Zhang,Q.,&Cheng,X.B.(2017).Reviewonhigh‐loadingandhigh‐energylithium–sulfurbatteries.AdvancedEnergyMaterials,7(21),1700260.