锂硫电池电解液工程：研究进展与展望
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-05-27 21:32:18 点击： 次
引言
锂硫（Li-S）电池因其高达2600 Wh kg<sup>-1</sup>的卓越理论能量密度而受到广泛关注−1，远超商业主流锂离子电池[1][2]。此外，硫元素储量丰富、成本低廉且环境友好，使锂硫电池高度契合可持续绿色能源技术的发展需求[3][4][5]。
尽管具备突出的理论优势，锂硫电池仍面临诸多挑战。其中，醚类液体电解质中的多硫化物穿梭效应被视为最严峻的问题，会导致容量快速衰减和库仑效率（CE）低下。该现象主要源于正极生成的长链多硫化物发生溶解，这些溶解物扩散至锂金属负极后发生寄生氧化还原反应，最终形成不可溶的短链多硫化物。因此，活性硫物质会不可逆地损耗，且锂阳极会遭受严重腐蚀[6],[7]。此外，硫在室温下的本征电导率极低（≈5×10<sup>-30</sup>S·cm<sup>-1</sup>），导致其氧化还原动力学迟缓，这进一步加剧了多硫化物的穿梭效应。−30厘米·西门子−1），结合沉积锂的绝缘特性2S在阴极导致缓慢的氧化还原动力学，进一步阻碍电池性能[8], [9], [10]（图1a）。锂硫电池的另一主要安全隐患是锂枝晶的生长。刺穿隔膜的枝晶会导致电池短路并引发安全风险。它们主要通过锂金属与电解质之间的副反应形成，从而导致不稳定的固体电解质界面相（SEI）。反复循环会引起锂负极显著的体积变化，导致SEI破裂。这种破裂使新鲜的锂金属暴露于更多副反应，从而导致不均匀的锂沉积[11], [12], [13]（图1b）。
为应对这些挑战，研究者们广泛探索了多种策略，主要集中在通过材料与界面工程抑制多硫化物的穿梭效应、提升硫利用率以及稳定锂金属负极。例如，Nazar及其合作者[14]采用高度有序介孔碳作为硫宿主材料，其高导电性不仅能物理限制多硫化物扩散，同时提供良好的电子传输通道。Jing等[15]通过添加Al2在锂负极上施加陶瓷涂层。这些涂层能阻隔多硫化物与锂金属的接触，同时仍允许锂离子通过，从而实现均匀的锂沉积并提升负极稳定性。尽管这些方法已取得部分成功，但锂硫电池的循环寿命和实际能量密度仍远低于其理论极限。这一差距主要源于电解液的性质从根本上决定了电化学活性物种的演变过程与可逆性。因此，要开发同时具备长循环寿命和本征安全性的锂硫电池，关键在于通过合理的电解液设计和持续的电解液工程来调控反应路径、稳定界面化学并抑制副反应过程。3 ceramic coatings to lithium anodes. These coatings block contact between polysulfides and lithium metal while still allowing lithium ions to pass. This leads to uniform lithium deposition and better anode stability. Although these approaches have achieved partial success, the cycling lifespan and practical energy density of Li-S batteries remain far below their theoretical limits. This gap arises mainly because the properties of the electrolyte intrinsically dictate the evolution and reversibility of electrochemically active species. Consequently, the development of Li-S batteries that simultaneously deliver long cycle life and intrinsic safety critically depends on rational electrolyte design and sustained electrolyte engineering aimed at regulating reaction pathways, stabilizing interfacial chemistry, and mitigating parasitic processes.
锂硫电池的基本充放电机制高度依赖于电解质的性质，该性质决定了电化学循环过程中硫物种的反应路径与相演变过程。在醚类液体电解质中，放电时环状单质硫（S8在阴极首先被还原为可溶性长链多硫化锂，该物质通过与锂结合形成。+在放电过程中，硫正极生成的长链多硫化物（LiPSs）会溶解并迁移至负极。这些长链多硫化物会进一步还原为不溶性的短链硫化物，并从电解液中析出。充电时反应逆向进行：不溶性物质被氧化回可溶性长链多硫化物，并最终重新转化为单质硫。因此，液态电解质中的锂硫电化学通常涉及典型的"固-液-固"相变过程（图1c）。尽管固态电解质体系展现出与醚类液态体系相似的氧化还原化学行为，仍需注意几个关键差异。首先，硫正极生成的中间产物LiPSs主要被束缚在正极区域，不会向锂负极迁移。其次，锂+固态电解质中的离子传输通过晶格空位或聚合物链段运动实现，而非液体中溶剂化介导的迁移机制。第三，固态体系的电化学转化遵循"固-固"反应路径（图1d），无需液相参与。因此，电解质配方对锂硫电池的电化学性能、安全性和实用可行性具有决定性作用，不同电解质体系呈现出独特的优势与固有局限性[16]。
本综述聚焦液体与固体电解质这两大类别，系统总结了锂硫电池各类电解质体系的优势、局限性与最新研究进展。通过直接对比液体与固体电解质及不同改性策略，旨在阐明其各自特性、共性与差异，从而为理解锂硫电池电解质的发展提供清晰框架。最后，本文总结了现有电解质改性策略，并提出合理电解质设计的未来展望，以期启发进一步研究。
