下载文档原格式
锂硫电池穿梭效应抑制及解决途径的研究进展段旭彬; 李庆福; 卫慧凯【期刊名称】《《电池》》【年(卷),期】2019(049)005【总页数】4页(P427-430)【关键词】锂硫电池; 金属硫化物; 正极材料; 穿梭效应; 表面吸附; 表面催化【作者】段旭彬; 李庆福; 卫慧凯【作者单位】太原理工大学基础学院山西太原 030600; 太原理工大学化学化工学院山西太原 030600【正文语种】中文【中图分类】TM912.9单质硫为正极的锂硫电池，理论比能量(2 600 Wh/kg)高，且活性物质硫具有价格低廉、储量丰富、无毒和对环境友好等优点，被认为是有望实现商业化的二次电池。
尽管锂硫电池具有许多突出的优点，但由于充放电过程复杂，包括硫的多步氧化还原反应和多硫化物的复杂相变过程，存在一系列可逆反应和歧化反应，会生成多种硫化锂中间产物，如Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2和Li2S等[1]。
生成的多硫化物易溶于电解液中，在浓度梯度的作用下会扩散并穿过隔膜，在正负极之间来回穿梭，造成穿梭效应。
目前，人们对硫正极上的充放电机理尚不清晰，尤其是对于S8的电化学反应过程，甚至存在争议。
Y.V.Mikhaylik等[2]认为，单质硫是经过两步电还原被还原为多硫离子，并形成了两个放电平台。
C.Barchasz等[3]采用多种测试技术，对锂硫电池进行研究，发现单质硫是通过三步电还原生成Li2S的，在电还原过程中，伴随有10种歧化反应。
J.Liu等[4]比较了锂硫电池硫正极在碳酸酯类和醚类两种电解液中的电化学行为，认为：硫正极上多硫化物发生的反应是按电化学反应-化学反应(EC)机理进行的，即先经历一电子反应，紧接着进行可逆化学反应，为此，作者认为多硫化物的歧化反应在充放电开始阶段对电池容量的衰减有重要影响，歧化反应又与多硫化物在电解液中的溶解性有关，溶解性越大，容量衰减越慢。
人们一直在寻找方案，通过提高锂硫电池中长链Li2Sn的溶解度，或抑制多硫化物在电极之间穿梭，以提高Li-S电池的性能。
锂硫电池简介简介：锂离子电池（LiCoO2）是单电子脱嵌，锂硫电池是8电子氧化还原，因而有7-8倍的理论容量。
前言：锂电池目前已经广泛应用于日常生活中。
近几年新能源产业被政府大力支持，短时间内锂电领域不论是科研界还是商业圈都被闹得沸沸扬扬。
没拿到诺贝尔奖，老爷子Good Enough哭晕在厕所；三星Note7爆炸门，iphone6S冻死关机；比亚迪放弃磷酸锂铁，转投三元材料；董大妈（董明珠）下台，私人投资珠海银隆；还有最让人闹心的新能源骗保事件，2016，锂电走在风口浪尖。
锂电的简史：锂电池，简称锂电，包含金属锂电池，锂离子电池，锂硫电池，锂空电池等，多数情况下大家指的是目前商业应用的钴酸锂（LiCoO2）。
二十世纪80年代，朝日化学制品公司最早开始研发锂离子电池体系（Li-ion）[1]。
1980年，Good Enough发表了正极层状材料LiCoO2的专利。
1990年sony首先推出技术较为成熟的商业化锂离子电池[15]。
1991年，索尼引入18650电池，并在1992-2006年之间快速发展[2]。
在此之后，锂离子电池以极其惊人的发展速度，迅速取代市场上的Ni-Cd和Ni-MH电池（目前人们意识里充电电池=锂电池，大多数人甚至不知道有这两类可充电电池）。
最为直观的感受就是，换了智能手机之后，大家是每天充电，甚至充电宝不离手的状态。
当今社会更需要一种低成本，无污染，性能稳定，比容量大，能量密度高的新型锂离子电池[7-10]。
就像某手机广告里那样，充电5分钟，通话俩小时。
锂硫电池发展史：锂离子电池有30多年的历史，而锂硫电池更年轻。
1962年，Herbet和Ulam首次提出使用硫作为正极材料，以碱性高氯酸盐为电解质[24]。
早期锂硫体系作为一次电池被研究，甚至还一度商业化生产，但后来被可充电电池取代搁置。
2009年Linda F. Nazar在Nature Materials上提出关于锂硫二次可充放电池，并用CMK-3实现了1320mAh/g的高比容量。
锂硫电池的穿梭效应锂硫电池作为一种新型二次电池，在电动汽车、储能系统等领域具有广阔的应用前景。
然而，锂硫电池在实际应用中面临着一个重要的问题，即穿梭效应。
穿梭效应是指锂硫电池中锂离子在充放电过程中来回穿梭于正负极之间，导致电池容量的损失和寿命的缩短。
本文将从锂硫电池的结构特点、穿梭效应的原因和解决方案等方面进行分析。
我们来了解一下锂硫电池的结构特点。
锂硫电池的正极材料是硫化物，负极材料是金属锂或碳材料，电解液是锂盐溶液。
锂硫电池的工作原理是，在充电过程中，锂离子从正极的硫化物材料中脱嵌出来，穿过电解液，嵌入到负极材料中。
而在放电过程中，锂离子则反向穿梭，从负极材料嵌入到正极材料中。
这种穿梭过程是锂硫电池工作的基本原理。
然而，穿梭效应会导致一系列问题。
首先，穿梭过程中，锂离子容易与电解液中的多余硫反应生成锂多硫化物，这会降低电池的利用率并增加电池内阻。
其次，穿梭过程中锂离子与电解液中的锂盐反应，形成固态电解质界面层，进一步限制了锂离子的传输和电池的性能。
此外，锂离子的穿梭也会导致电池正负极材料的损耗，缩短电池的寿命。
那么，穿梭效应的原因是什么呢？穿梭效应的主要原因有两个：一是锂离子在充放电过程中体积变化较大，导致电极材料的膨胀和收缩。
二是锂离子在电解液中的扩散速率较慢，容易产生锂离子浓度梯度，从而引发穿梭效应。
这些原因使锂硫电池在循环过程中产生了较大的体积变化和电解液中锂离子浓度的不均匀分布，从而促使了穿梭效应的发生。
针对锂硫电池的穿梭效应问题，科研人员提出了一些解决方案。
首先，可以采用多孔隔膜来限制锂离子的穿梭。
多孔隔膜可以起到过滤作用，阻止硫化物颗粒的穿梭，并增加电解液中锂离子的扩散速率。
其次，可以通过调控电极材料的结构和形貌来减轻穿梭效应。
例如，可以使用纳米材料或纳米复合材料，增加电极材料的表面积和扩散路径，提高锂离子的传输速率。
此外，还可以利用聚合物电解质包覆硫化物颗粒，形成保护层，减少硫化物颗粒与电解液的直接接触，从而减轻穿梭效应。
锂硫电池穿梭效应化学吸附催化概述说明以及解释1. 引言1.1 概述锂硫电池作为一种具备高能量密度和安全性能的电池技术，被广泛研究和应用。
然而，锂硫电池在实际使用中存在一个严重的问题，即穿梭效应。
穿梭效应指的是锂离子在充放电过程中在正负极之间发生迁移，导致活性材料的损耗和不稳定性增加，从而影响了电池的循环寿命和能量效率。
因此，研究如何解决锂硫电池中的穿梭效应问题成为当前锂硫电池领域关注的焦点。
1.2 文章结构本文分为五个主要部分进行阐述和讨论。
首先，在引言部分对锂硫电池穿梭效应进行了概述，并说明了文章的目的与结构。
接下来，第二部分将详细介绍了锂硫电池穿梭效应的定义与基本原理，并分析了影响因素以及相关解决方案。
第三部分将重点关注化学吸附，在介绍其概念与机制前，会先进行材料分类与性能评估的讨论，并进一步探讨化学吸附在锂硫电池中的应用研究进展。
第四部分将讨论催化作用，包括催化反应原理与机制、催化剂选择及设计要点，以及锂硫电池中催化材料的性能优化方法。
最后，在结论部分对已讨论内容进行总结，并展望未来研究方向和其重要意义。
1.3 目的本文旨在全面概述锂硫电池穿梭效应、化学吸附和催化作用，并探索其在解决锂硫电池穿梭效应中的应用。
通过系统分析锂硫电池穿梭效应的影响因素和解决方案，以及介绍化学吸附和催化作用的基本原理和应用进展，可以为更好地理解和改善锂硫电池的性能提供指导。
此外，通过对未来研究方向的展望和重要意义的提示，有助于推动锂硫电池领域的发展并促进相关技术的创新。
2. 锂硫电池穿梭效应：2.1 定义与基本原理：锂硫电池是一种新型的高能量密度二次电池，其正极材料为硫，负极材料为锂或锂合金。
在充放电过程中，由于硫的可溶解性和活性较高，导致在充放电循环中出现了所谓的“穿梭效应”。
穿梭效应指的是硫等离子体在充放电过程中从正极经由电解液迁移到负极，并随之形成固态产物的现象。
穿梭效应主要由两个方面引起：首先是反应中产生的溶剂蒸气对锂阳极表面造成腐蚀，导致硫等离子体特别是亚硫酸盐进行游离；其次是反应过程中形成的可溶性聚合物包裹住锂枝晶，在充放电循环中会发生解聚致使溶液中出现游离的锂离子。
锂硫二次电池正负极界面问题及其解决方案研究锂硫二次电池是一种有着很高能量密度和较低成本的新型电池，也是当前研究的热点之一。
然而，锂硫二次电池中存在一些正负极界面问题，如锂枝晶生长、多余锂氧化和电解液解耦等，这些问题限制了锂硫电池的实际应用。
解决这些问题对于推动锂硫电池的研究和发展具有重要意义。
首先，锂枝晶的生长是锂硫电池中的一个常见问题。
在充放电过程中，锂离子会在正负极间游移，如果电解液中的锂离子在正负极之间形成枝晶，会导致电池内部短路，从而降低电池的效率和寿命。
为了解决这个问题，可以采用一些方法，如限制锂离子的扩散速率、优化电解液的成分、改变正负极材料的结构等。
例如，可以添加一种具有抑制锂离子枝晶生成的添加剂到电解液中，以防止枝晶的生长；另外，可以采用结构更加稳定的负极材料，如碳纳米管等，来减少枝晶的生成。
其次，多余锂氧化是另一个影响锂硫电池性能的问题。
在充放电过程中，锂硫电池会产生一些不可逆反应，导致正负极之间产生多余的锂氧化物，这些多余的锂氧化物会堵塞电池孔隙，影响电池的容量和循环寿命。
为了解决这个问题，可以采用一些方法，如优化电解液的成分、改变正负极材料的结构等。
例如，可以设计一种能够扩散锂离子但不会导致多余锂氧化的电解液，或者设计一种可以促进多余锂氧化物转化为可利用的形式的正负极结构。
最后，锂硫二次电池中的电解液解耦问题也是一个需要解决的关键问题。
在充放电过程中，电极材料会溶解到电解液中，并在电解液中形成溶解物，这些溶解物会堵塞电池孔隙，降低电池的容量和循环寿命。
为了解决这个问题，可以采用一些方法，如优化电解液的成分、改变电极材料的结构等。
例如，可以设计一种能够有效抑制溶解物生成的电解液，或者设计一种能够减少电极材料溶解度的结构。
综上所述，锂硫二次电池正负极界面问题是当前锂硫电池研究中需要解决的重要问题之一。
通过优化电解液成分、改变正负极材料的结构、添加抑制锂离子枝晶生成的添加剂等方法，可以有效地解决锂硫电池的正负极界面问题，提高电池的性能和循环寿命，推动锂硫电池的实际应用。
锂硫电池正负极界面问题研究进展与机理分析锂硫电池作为一种具有高能量密度和低环境影响的新一代二次电池，具有广泛的应用前景。
然而，锂硫电池在实际应用中面临着正负极界面问题的挑战，包括锂枝晶生长、极化效应和界面不稳定等现象。
本文通过对锂硫电池正负极界面问题的研究进展和机理分析，以期提供有关解决这些问题的参考意见。
锂硫电池的正负极界面问题主要包括锂枝晶生长、活性物质的极化效应和界面不稳定等问题。
首先，锂枝晶生长是一种常见的界面问题，导致电池内部短路和安全隐患。
锂枝晶的生长与充放电过程中的极化效应有关，主要是由于锂在放电过程中析出和在充电过程中沉积导致的。
其次，电极材料与电解液之间的反应会导致界面不稳定，从而降低电池的循环稳定性和寿命。
针对锂枝晶生长问题，研究人员已经提出了一系列的策略和方法。
例如，通过改变电解液成分、添加添加剂或采用新的电解液体系可以抑制锂枝晶的生长。
此外，研究人员还通过改变电极结构和表面处理来改善电池的循环性能。
例如，使用多孔碳材料作为电极基底可以增加锂的扩散路径，从而减少锂枝晶的生长。
此外，界面工程技术也是抑制锂枝晶生长的重要手段。
例如，将具有高离子导电性和机械韧性的聚合物涂层应用于电极材料表面可以有效地阻止锂枝晶的扩展。
活性物质的极化效应是正负极界面问题的另一个重要方面。
在充放电过程中，活性物质的极化会导致电池的容量衰减和循环稳定性下降。
为了解决这一问题，研究人员已经开展了一系列的工作。
例如，优化电极设计和制备工艺可以提高活性物质的接触性能和电荷传输速率。
此外，添加导电剂和填充剂也可以改善电极材料的导电性和充放电效率。
界面不稳定是锂硫电池正负极界面问题的另一个主要方面。
电极材料与电解液之间的化学反应会导致界面的漏电和材料的损失。
为了解决这个问题，研究人员已经开展了许多工作。
例如，通过表面涂层和界面调控可以改善电极材料与电解液之间的界面稳定性。
此外，使用纳米材料和多孔材料作为电极材料也可以提高电极的界面稳定性和充放电性能。
锂硫电池的穿梭效应理解穿梭效应的理解电化学储能器件的发展对新能源的高效利用有着至关重要的作用。
其中，锂离子电池已经得到了广泛的应用。
然而现行锂离子电池的能量密度依然不足以满足许多应用需求，因此，理论能量密度高达2600Wh/kg的锂硫电池得到了广泛的关注和研究。
然而锂硫电池在实际应用中，易溶于电解液的多硫化物（中间产物）形成穿梭效应会直接导致差的电池循环寿命。
因此，如何抑制多硫化物的穿梭在锂硫电池正极研究中至关重要。
Shuttle Effect 也叫穿梭效应，指的是在充放电过程中，正极产生的多硫化物（Li2Sx）中间体溶解到电解液中，并穿过隔膜，向负极扩散，与负极的金属锂直接发生反应，最终造成了电池中有效物质的不可逆损失、电池寿命的衰减、低的库伦效率。
为了一直穿梭效应，主要是在正极用高比表面积的具有孔结构的载体（如石墨烯、碳管等）对硫和多硫化物进行物理吸附和禁锢，再进一步的是对载体进行化学修饰，修饰上活性位点，以实现化学吸附。
穿梭效应。
穿梭效应就是硫正极在得到电子后会生成聚硫化合物（polysulfide），聚硫化合物在浓度梯度的影响之下会穿过隔膜去向Li电极那侧的电解液中并与Li金属发生反应，生成的LixSy再回到正极，说白了就是把阳极锂带走了，充电的时候回不去造成Li的损失。
目前来说这个问题还是很大的，有的组在隔膜上进行了修饰，但是效果不大啊，反而对容量造成了不小的损失。
这个问题也对锂硫电池的循环寿命早成了很大的影响。
硫是不良导体，它不能做电极。
好吧电极不导电是不行的，大家就开始想方设法让丫的能导电，什么碳纳米管，石墨烯，炭黑，Super P，乙炔黑whatever 开始往硫里面混合，本身这些导电剂的能量密度低啊，再有一些混合是需要粘合剂的，粘合剂丫的能量密度更低啊！这样硫作为正极的优势没有完全体现出来啊。
这还没完，硫的密度比最后生成的硫化锂和Li2S2都小，导致正极体积变化达到了20%，会导致正极材料在集流体上脱落等问题。
锂硫二次电池：问题与解决方案综述锂硫二次电池：问题与解决方案综述锂硫二次电池是一种新型的高能量密度电池，具有良好的环境友好性和低成本特点。
它的能量密度是传统锂离子电池的几倍，并且锂与硫的原料相对廉价和丰富。
因此，锂硫二次电池被认为是未来能源存储领域的一种潜在替代技术。
然而，锂硫二次电池在商业化应用的过程中，也面临着一些问题需要解决。
本文将对这些问题进行综述，并提出相应的解决方案。
1. 酸碱平衡问题锂硫二次电池的电解液主要是含有锂盐和有机溶剂的酸碱溶液。
在放电过程中，硫化锂生成多个溶液中间产物，并同时产生锂离子和电子。
然而，由于锂离子和硫化锂之间的电子传输速度较慢，容易导致电极表面的锂离子浓度下降，形成酸碱不平衡。
这会导致电池的容量衰减和循环性能下降。
解决方案：目前的解决方案主要是通过添加聚合物导电剂来提高电极的导电性能，以增强锂离子和电子的传输速度，并促进锂离子的均匀分布。
另外，也可以通过添加适量的缓冲溶液来调节电池的酸碱平衡，提高电池的循环性能。
2. 硫化锂枝晶问题在锂硫二次电池的充放电过程中，硫化锂会形成枝晶结构。
这些枝晶结构容易穿透电解液和隔膜，导致电池内部的短路，降低电池的安全性能。
解决方案：目前的解决方案主要是通过在电解液中添加一定的添加剂，如锂盐、聚合物添加剂和纳米颗粒等来抑制硫化锂的枝晶生长。
此外，也可以通过控制电池的充放电速率和温度来减少硫化锂的枝晶生长。
3. 电池寿命问题锂硫二次电池的寿命主要受到锂枝晶的生长和电解液中的活性物质损失的影响。
锂枝晶的生长会导致电池的自放电速率增加，并且降低电池的充放电效率。
而电解液中的活性物质损失会导致电池容量的衰减。
解决方案：目前的解决方案主要是通过改变电池的结构和材料，并优化电解液的组成来提高电池的寿命。
例如，可以设计纳米级的电极结构，以增加电池的比表面积，减少锂枝晶的生长。
此外，也可以研究新的电解液体系，如固态电解液和多电子电解液等，以提高电解液中的活性物质的存储和释放能力。
锂硫电池硫基复合正极材料发展综述唐泽勋;叶红齐;韩凯;王治安【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)010【摘要】硫正极材料具有比容量高、资源丰富、环境友好等特点,由它与锂金属负极组成锂硫电池是一种极具应用前景的高能量密度的电池体系,在市场上有着极大的发展空间.硫基正极材料作为锂硫电池的重要组成部分,是提高电池性能的关键之一,也是目前的研究重点.然而锂硫电池还存在着一些比较严重的问题,如硫的导电性差、"穿梭效应"和锂晶枝等.本文综述了近几年国内外锂硫电池硫正极材料在单质硫、金属硫化物和有机硫化物三个方面的最新研究进展,并展望了锂硫电池硫正极材料的发展方向.%Sulfur cathode material has the advantages of high specific capacity, abundant resources and environmental benignity. Lithium-sulfur battery based on sulfur cathode and lithium metal anode is regarded as a promising battery system with high energy density, which would have a great space for development in the market. Sulfur cathode material, as one of the essential ingredients for lithium-sulfur battery, is the key to improve the battery performance, and also one of the current research focus. However, there are still some serious problems for lithium-sulfur battery, such as poor conductivity of sulfur, shuttle effect and lithium dendrite. In this review, the recent research progress at home and abroad of sulfur cathode materials, including elemental sulfur, metal sulfides andorganic sulfides are introduced, and their development trend is also prospected.【总页数】11页(P1-11)【作者】唐泽勋;叶红齐;韩凯;王治安【作者单位】中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083;中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083;中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083;中南大学化学化工学院,湖南长沙 410083【正文语种】中文【中图分类】TM912.9【相关文献】1.1,3-二氧戊环基LiCF3SO3电解液对锂硫电池正极材料单质硫的电化学性能影响[J], 苑克国;王安邦;余仲宝;王维坤;杨裕生2.锂硫电池硫基碳正极材料的研究进展 [J], 杨果;马壮;杨绍斌;沈丁3.锂硫电池用玉米苞叶基活性炭/硫复合正极材料的电化学性能 [J], 李巧乐;燕映霖;杨蓉;陈利萍;秦海超;史忙忙;魏一奇4.锂硫电池硫基碳正极材料及其改性研究进展 [J], 杨昆鹏; 万亚萌; 严俊俊; 何海霞; 李涛; 任保增5.硫-纳米碳复合柔性正极材料的制备及其在锂硫电池中的应用 [J], 邵姣婧;吴旭;龙翔;刘美丽;黄鑫威;庞驰;孙奇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
