晏成林/钱涛AM：一文读懂，锂硫电池中多硫化物该不该溶？

基于Li-S化学的可充电池因其超高的比容量和能量密度而显示出成为下一代储能装置的可能性。过去十多年的研究表明，多硫化锂（LPSs）在电解液中的形态（可溶或不溶）对电池性能起着决定性作用。早期的研究主要集中在抑制LPSs的溶解，并为实现这一目标投入了大量的精力。然而，近年来，出现了一个完全不同的观点，即在电池放电/充电过程中应促进LPSs的溶解。因此，在Li-S电池大规模应用的关键时刻，是时候总结和讨论矛盾的双方了。

苏州大学晏成林、南通大学钱涛等概述了关于可溶性和不可溶性LPSs的两种相反观点，包括它们的历史环境、经典策略、优劣势。最后，基于对迄今为止进行的研究的多角度回顾，预测了Li-S电池中LPSs的未来形态，并对这一猜想背后的原因进行了深入讨论。

图1. Li-S电池的反应过程及带来的问题

在目前的结构（硫/碳复合正极、醚基电解液和锂负极）中，Li-S电池经历了复杂的溶液介导机制，其中涉及复杂的中间相变。早期的观点将Li-S电池的失效归因于液相反应区域，即LPSs在电解液中溶解并穿梭；这引起了人们对解决这个棘手问题的浓厚兴趣，尤其是在2009年Nazar等人发表关于CMK/硫复合正极的文章之后。不久之后，研究人员基于电极纳米微结构和电解液设计，开发了多种抑制LPSs溶解和穿梭的策略，涉及空间限制、物理/化学吸附和溶剂化结构等原理。然而，尽管取得了一些成功，但Li-S电池的实际应用距离完全实现还有很长的路要走。

随着对该课题研究的不断深入，抑制LPSs溶解策略的主要缺点逐渐暴露出来：硫及其后续中间体的固有绝缘性导致固-固转化过程缓慢。特别是，Li-S电池的高能量密度（≥400 Wh kg^-1）取决于严格限制电解液的使用，其中电解液与硫的质量比应小于 5（E/S ≤ 5 μL mg^-1)。此外，这种贫电解液条件进一步严重抑制了硫还原反应（SRR）动力学，阻止了Li-S电池在实际电池中充分利用元素硫无与伦比的理论容量。这种困境迫使研究人员打破陈规，寻求其他新方法来充分发挥Li-S电池的潜力。

图2. 抑制LPSs的溶解

从目前的讨论可以推断，Li-S电池本质上是可溶性和不溶性LPSs之间的悖论。“矛盾是推动一切发展的动力。”因此，很难判断未来Li-S电池中LPSs应该是什么状态（可溶或不溶）。一种共识是LPSs的形态应根据实际应用场景进行设计。抑制LPSs溶解所产生的高稳定性和安全性表明它适用于为智能手机、相机、电动自行车等小型电子产品或低速电动汽车(LSEV)提供动力，这些产品的工作频率很高，并且不需要超高能量密度。

另一方面，由于促进LPSs溶解而增强的动力学性能的Li-S电池适用于极端环境，例如空间电力系统、极地/深水探索和高海拔环境。此外，促进LPSs的溶解使正极保持在流体状态，这为将Li-S化学应用于氧化还原液流电池进行大规模储能创造了潜力。

图3. 促进LPSs的溶解

在抑制LPSs溶解的情况下，可行的策略是在正极中引入活性催化材料，以降低固固反应的能垒。考虑到SRR和氧还原反应(ORR)之间的相似性，一个绝妙的策略是根据过去对ORR催化机制的研究，设计能够促进SRR过程的催化剂。

此外，正极中推荐的催化剂含量不应高于10 wt%，以避免影响电池的整体能量密度。另一方面，在促进LPSs溶解的情况下，主要挑战来自锂负极侧。在这方面，基于液体反应机制的Li-S动力电池将需要更稳定的锂金属负极，以有效抵抗LPSs的持续腐蚀。考虑到短链LPSs在高极性溶剂中的高溶解度，开发能够在质子溶剂中稳定运行的坚固锂金属负极无疑是一个很有前景的策略。此外，吸附策略也可以应用于全液态机制。

图4. 未来Li-S电池应用概述

Unity of Opposites between Soluble and Insoluble Lithium Polysulfides in Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202203699

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