固态锂硫电池在下一代储能领域的研究进展

对高功能储能体系日益增长的需求，加快了传统锂离子电池代替计划的研制进程。锂硫电池（Li-S）因其高达2600 Wh kg的理论能量密度而获得广泛使用−1低成本以及硫的环境友好特性使其具有明显优势。但是传统锂硫体系面对多重应战，包含多硫化物络绎效应、锂枝晶构成以及循环寿数受限等问题。经过选用固态电解质（SSEs）代替易燃液体电解质，体系安全性和稳定性得到明显提高。固态锂硫（SSLS）电池的最新进展包含：开发高电导率固态电解质（硫化物、卤化物、聚合物-陶瓷复合资料）、规划习惯体积变化的电极以降低界面阻抗，以及优化正极结构以改进离子/电子传输功能。本综述体系梳理了曩昔十年固态锂硫电池的研讨进展。该技能的开展动力源于其完成更高能量密度与强化安全性的潜力，这两大特性对下一代储能体系至关重要。本综述亦聚集于作为固态锂硫电池（SSLS）功能要害赋能者的固态电解质，探讨了液态电解质存在的可燃性、多硫化物络绎效应及锂枝晶构成等应战。最终，本文要点阐述了集成化电池规划的重要性——经过优化电极结构与先进固态电解质的协同作用，可完成功能最大化。

图文摘要

锂硫（Li-S）电池展现出锂（3,860mAh g）与硫（1,675mAh g）的明显理论容量 %%−1)电极[[1], [2], [3]]。但是，液态锂硫电池面对的首要应战是"络绎效应"。这一现象发生在硫溶解于液态电解质并经过多硫化物的构成向阳极搬迁的反应过程中。此类搬迁会导致活性资料损失并降低电池功率[4]。虽然规划碳骨架结构来捕获硫有助于缓解该问题，但更有效的处理途径是经过选用固态电解质代替液态电解质以彻底消除络绎效应。−1现有多种固态电解质可选，包含聚合物、氧化物、卤化物[5]和硫化物[6,7]。但是聚合物电解质通常存在室温离子电导率低的问题，且无法彻底按捺多硫化锂的络绎效应[8]。氧化物电解质机械强度高，但因此难以与硫正极集成[9]。卤化物电解质虽具有高离子电导率和电压稳定性，却会与锂金属负极发生不利的电化学反应[[10], [11], [12], [13]]。全固态锂电池（ASSLBs）相较于传统电池具有多重优势，包含更高的安全性、更高的能量密度以及更优异的循环稳定性。这些优势源于用固态电解质代替了易挥发的液态电解质。但是，资料规划、界面稳定性及可规模化出产等方面的应战，仍阻止其完成大规模商业化[[14], [15], [16], [17], [18]]。机器学习领域的最新进展与自动化高通量挑选技能的结合，明显加快了资料发现进程[19]。为应对日益增长的高能量密度需求，开发先进电极资料成为极具远景的研讨方向。但是，无论是传统锂离子电池（LIBs）仍是LSBs，都存在要害缺点：其易燃易泄漏的液态电解质带来的固有安全隐患。选用固态电解质是处理这一问题的可行计划。此外，现代技能开展的一个要害方面在于保证其实际适用性。例如，数据显现全球近对折（47.95%）陆地区域冬天平均温度低于冰点[20]。对商业可行、超高能量密度全固态锂硫电池的寻求，推动了对电极组成怎么影响质量能量密度的研讨。根据硫彻底利用的假设，初期分析聚集于多种固态电解质，包含聚合物PEO、氧化物LLZO、硫化物LPSCl以及卤化物LiInCl。研讨结果表明，根据PEO的电池供给了最高的能量密度，这一功能趋势与所用电解质的密度呈反比联系（PEO: 1.2 g/cm³）。，LPSCl：1.64 克/立方厘米3，LiInCl：2.59 克/立方厘米3，LLZO：5.1 克/立方厘米3这表明较低的固体电解质密度有助于最大化能量密度[21,22]。进一步研讨指出，增加硫载量能明显提高质量能量密度。优化负极/正极(N/P)配比至关重要——当比值趋近于1时可获得高质量能量密度，而更高比值则会导致功能下降。同样地，无论是经过固定载量下进步硫含量，仍是固定含量下增加载量，提高硫含量均能持续改进质量能量密度。Zhao等人3[23]阐述了怎么克服厚硫正极中的多硫化物络绎效应和缓慢氧化还原动力学问题，这需求选用创新的正极规划战略，特别是根据硒-硫化学与正极宿主工程的技能计划。图1A表明，需求开发具有优异能量保持率和长循环稳定性的高功能锂硫电池。图1B则体系展现了阻止实用化锂硫电池开展的要害问题。
向固态电解质（SSEs）的改变之所以受到关注，首要源于传统液态电解质的重大缺点：其易燃性会引发安全隐患。液态电解质还会导致一系列应战，如电解质分解、锂硫电池中的多硫化物络绎效应、锂金属负极上的枝晶生长，以及工作温度规模受限和电池寿数缩短等问题。SSEs因其不可燃特性从根本上缓解了这些问题，安全性提高是其核心优势[24,25]。它们能有效按捺多硫化物的络绎效应，并具有潜在的枝晶按捺能力，然后完成了高能量密度锂金属负极的使用[26]。此外，固态电解质支撑更宽的工作温度规模。虽然固态电池研讨始于50多年前，但早期开展受限于低离子电导率和高界面阻抗[27]。Ohno等[28]的研讨表明，硫在锂化/脱锂过程中的明显体积变化会导致复合资料内部触摸失效（如图2a所示）。这种化学-机械失效经过损坏高效的离子/电子传输路径，以及缩减对电池功能至关重要的三相边界，然后搅扰可逆电化学（氧化还原）反应。
图2b展现了限制电池功能的首要因素，包含阳极锂枝晶生长以及硫正极与固体电解质之间的界面触摸不足。活性物质分布不均导致界面电子和离子传输功能恶化。在电化学循环过程中，硫转化为硫化锂（S8+ 16Li++ 16e−→ 8Li2硫（S）的体积变化率约为80%，导致正极结构产生裂纹与孔隙。这些机械形变会损坏电子与离子传导的连续性，增加内阻，并在反复充放电循环中加快容量衰减。