锂硫电池（LSBs）由于其较高的理论能量密度而被认为是有前途的下一代储能技术。然而其整体性能受到几个关键问题的限制，例如多硫化锂（PS）的穿梭效应，低硫利用率和不稳定的Li金属负极等。尽管已经取得了巨大的研究进展，但使用的电解质/硫比（E/S）通常很高（≥20 µL mg⁻¹），从而大大降低了储能器件的实际能量密度。为推动LSBs从实验室走向工业化，在保证电化学性能的同时降低E/S比至关重要。

近日，武汉理工大学刘金平教授，郑州大学邵国胜教授，郭峻岭副教授综述了低E/S正、负极的最新研究进展，并提出了相应的解决方案。

文章要点

1）为了合理设计用于低E/S的高性能LSB的硫正极，必须解决因使用低E/S而引起的关键问题。因此，作者将合理的硫正极设计分为三类：1）防止高溶解度PS的形成/聚集；2）通过设计多功能大孔结构，可以缓解稀电解质条件下的不完全渗透；3）缓解比表面积吸附依赖性的禁锢策略，并总结了它们的优缺点。

2）提高用于低E/S LSB的锂金属负极的性能是一个更具挑战性的问题。在没有过剩电解质的情况下，很难保证电解质的均匀分布，而电解质的均匀分布又是锂离子通量均匀化的关键，从而容易导致枝晶或死锂的形成。此外，电解质更容易被大量的初始锂金属消耗，以满足高容量硫正极大容量。因此，因此，在低E/C条件下开发具有高初始容量的高性能锂金属负极具有重要意义。作者总结了用于设计具有低E/C先进锂金属负极的研究进展和一些挑战。

3）作者最后指出了目前在提高低E/S LSB整体性能仍面临的挑战包括：1）高硫利用率与长周期循环稳定性之间的矛盾，这是由于在低E/S条件下主体材料的润湿表面有限所致；2）难以同时避免硫正极侧PS的“穿梭效应”和负极侧Li枝晶的形成。为了应对这些关键挑战，作者提出了几个未来研究方向，包括：1）在低E/S条件下，协同使用高溶解度的物理屏障和电解质添加剂，以缓解高硫利用率与长周期稳定性之间的矛盾；2）通过简便的方法构建一个整体的主体骨架，在降低E/S的条件下同时抑制PS的“穿梭效应”和Li枝晶生长；3）设计先进的电解质，在没有复杂工艺的情况下降低E/S；4）由于PS在固体电解质中的不溶性和固体电解质的高剪切模量，因此使用固态或准固态电解质有望解决PS的“穿梭效应”和Li枝晶生长。

参考文献

Junling Guo, et al, Rational Designs for Lithium-Sulfur Batteries with Low Electrolyte/Sulfur Ratio, Adv. Funct. Mater. 2021

DOI: 10.1002/adfm.202010499

https://doi.org/10.1002/adfm.202010499