任逸伦，胡金龙，仲皓想，路继群，张灵志†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学技术大学，合肥 230026；3. 中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

21世纪以来，随着能源消耗的增加和全球气候变暖，一种高能量密度、低成本、无污染、使用寿命长的新型储能系统应运而生——锂离子二次电池。近年来，锂离子二次电池已被广泛应用于手机、笔记本电脑、相机等小型电子设备，但传统的锂离子二次电池尚不能满足大型的储能设备和高能量密度的电动汽车的要求，这促使研究人员开发更加合理有效的电池能源系统。锂硫电池（Li-S电池）具有高理论比能量（2 600 W·h/kg）和高理论比容量（1 675 mA·h/g），而且硫元素具有在地壳中含量丰富、廉价、无毒无污染等优点，Li-S电池因而被认为是提升能量密度最具前景的新型储能电池之一[1-3]。

1 工作原理和面临挑战

1.1 工作原理

Li-S电池中最常用的正极材料是单质硫，单质硫在自然界中主要以环状S8分子存在。Li-S电池正极反应主要通过S—S键的断裂和聚合来实现。在这个动力学过程中，产生了一系列可溶的聚硫化物中间体LiSx（x＞ 2）。在该系统中，Li金属在放电过程中被氧化，在阳极上产生锂离子和电子。然后，Li+通过电解液移动到阴极，而电子通过外部电路来产生电流。在阴极方面，首先固体 S8分子被还原成溶解的长链聚硫化物；其次，长链聚硫化物被还原成短链聚硫化物，最后，溶解的短链聚硫化物被还原成绝缘和不溶于有机电解液的Li2S和Li2S2固体。Li-S电池的工作原理如图1所示[4]，其反应过程如下。……