锂硫电池碳基隔膜改性的研究进展

钱忠豪

(重庆交通大学 重庆 400074)

一、前言

近年来，人们越来越多地致力于开发有前途的电化学储能装置，以取代高成本的燃料电池，减少化石燃料的消耗，同时实现可持续的经济增长。随着时间的推移，锂硫电池以其高理论容量、高能量密度和环保的特性，正逐渐成为最有前途的储能装置之一。由于Li-S电池相较于锂电池，拥有更高理论比容量1675 mA?h/g和更高的理论比能量2500 W?h/kg，并且作为正极材料的硫在自然中储量丰富，无毒安全等性质是其成为下一代最有希望的二次电池。锂硫电池作为新的储能装置虽然有很大的吸引力，但是目前仍有许多问题需要解决，如硫和硫化锂的绝缘性、穿梭效应、体积变化等，这些问题极大阻碍了商业化进程[1]。 通过构造合适的隔膜结构，能够适应体积变化、抑制穿梭效应。几年来，在锂硫电池正极材料的改性一直是热门话题，目前科研工作者们主要将纳米结构碳作为硫的改性材料。

二、改性隔膜

改性隔膜主要采用纳米复合材料来减缓多硫化物在电解液中溶解或者捕捉游离的多硫化物并为锂离子的传输提供良好的环境。碳材料改性隔膜通常是通过浆料涂层技术，真空过滤、磁控溅射、丝网印刷形成薄层涂层等方法[2]。多孔聚合物作为锂硫电池的隔膜材料能防止内部短路，且保持正常的锂硫电池的扩散途径。

(一)碳材料改性隔膜

导电碳粉、碳纳米管、碳纳米线等碳材料具有优异的导电性和热稳定性，可用于锂硫电池隔膜。通过形成浆料，在聚烯烃的一侧进行涂覆，使商用的导电碳粉制成聚烯烃隔膜。与一些常规隔膜相比，碳涂层隔膜具有一种特殊涂层并形成一个导电网络结构以捕捉多硫化物以此提高活性物质利用率[3]。除了碳粉涂层隔膜外，碳纳米管等独特的结构也可被应用在锂硫电池的隔膜上涂覆。制备单层碳纳米管用于锂硫电池的隔膜通过真空过滤法来控制膜孔径，可以抑制多硫化物的迁移，保护锂金属阳极免受严重的多硫化物污染。多孔碳纳米线的隔膜表现出优异的电化学性能[4]。Kim和他的课题组[5]制备了超薄氮和硫共掺石墨烯纳米片层，并将其沉积在锂硫电池的聚乙烯隔膜上，具有良好的性能。

(二)聚合物改性隔膜

导电聚合物层的表面通常是微孔、中孔或分层多孔，通常可以与不同的原子，如氧，氮，硫和碘等掺杂制备不同的改性隔膜材料[6]。薄膜上不同的功能聚合物层决定了锂硫电池复合隔膜的表面特性，可以有效抑制多硫化物扩散。

三、 结论和展望

采用不同的隔膜材料进行改性具有以下特点：由于存在大量的金属相和半金属相导致其具有不错的导电性；固有的亲硫性质；对多硫化物的氧化还原反应起到催剂的作用，促进电化学反应的进行；由于锂化电压较低，有效的防止在Li-S电池的工作电压下导致的过充现象。碳的隔膜材料由于其独特的电子结构、高电导率、大的体积能量密度和很好的电催化活性成为了新一代有前景的硫载主材料。

根据近二十年来科研工作者们的努力研究，在Li-S电池正极中已经取得了许多的进展，多硫化物的穿梭效应得到了很好的抑制，初始比容量及循环次数得到了显著的提升，并且随着循环过程中容量衰减率也在减少。但是，Li-S电池存在的一些问题仍然需要进一步改善：目前多数过渡金属化合物在硫正极上硫的负载率远低于实际Li-S电池中的硫负载量；目前锂硫电池正极材料的设计并不能使实际比容量接近锂硫电池的理论比容量，存在一定的差距；循环次数仍不能满足实际需求，离商业化生产仍有一段距离。经过不断实验、理论分析简化复合材料的制备方法以及提高电化学性能，在不远的将来，锂硫电池将商业规模化生产应用到我们生活中。