近二十几年以来，低成本锂-硫电池受到研究者的广泛关注，其被认为是现有锂离子电池技术的强有力竞争者之一。大量文献已证实，通过研制优异的电极、隔膜、粘结剂以及电解质等关键材料可以大大提高其室温条件下的充放电性能和安全性。然而，在极端温度条件下（如-40 °C至80 °C的宽温域范围），锂-硫电池通常表现出容量快速下降、倍率性能不足甚至严重的安全问题。
图1 a）宽温度范围和高能量密度电池的未来应用领域。b）多种电池技术的性能指标对比。
近日，中心李桂村教授与上海大学赵玉峰教授联合发表关于宽温域锂-硫电池研究进展的综述论文，该成果以“Wide Working Temperature Range Rechargeable Lithium–Sulfur Batteries: A Critical Review”为题发表在材料领域国际著名期刊Advanced Functional Materials（影响因子18.808）上。
图2 a）宽温域锂-硫电池的研究进展和b）宽温域锂-硫电池的关键材料设计策略。
在宽温域电池研究必要性方面，本综述分析了以下几个方面：1）外部使用环境对电池的工作温度的限定。如图1所示，从极寒的太空探索到极热的火山岩勘察，电池技术在极端温度下的安全运行对特定任务的顺利完成至关重要；2）电池内部热波动对其性能和安全使用产生的不利影响。由于多硫化物穿梭效应本征的温度依赖特性，温度的波动会造成电流密度和充放电深度在电极片表面的不均匀分布，这有可能导致多硫化物过早沉淀、金属锂负极枝晶生长以及隔膜熔化，进而造成离子/电子传输通道堵塞、内部微短路和热失控甚至爆炸等风险；3）与室温相比，锂-硫电池在极端温度下的工作机制具有差异性。极端温度下，对锂-硫电池的工作机制的理解可以进一步对电极、电解液、隔膜以及各组分间的界面设计与材料开发等带来新的希望。从历史沿革方面，本综述总结了自2010年至2021年间的高低温条件下可工作的锂-硫电池，其代表性文献列于图2a中；在材料设计层面，本综述涵盖了从低温至高温条件下的有关正极材料（包括硫-极性材料复合物、敷形涂覆层材料以及硫-碳复合材料等）、隔膜材料（聚烯烃隔膜改性、新型隔膜设计、界面层设计以及Janus隔膜设计等）、电解液材料（电解液添加剂、高浓电解质、溶剂-锂盐设计、填料与聚合物基体设计、聚合物电解质的涂层与锂盐设计、石榴石基和硫化物基固态电解质设计以及复合电解质设计等）以及负极材料（电解质的化学调制、人工SEI层设计、3D集流体以及表面亲锂性改性、可替代阳极材料等）的研究进展，详细探讨了各类材料的结构与宽温域锂-硫电池性能提升的构效关系（如图2b）；在机理理解层面，本综述讨论了宽温域锂-硫电池开发过程中所面临的关键挑战，特别是温度变化对多硫化物的溶解度和穿梭效应的影响、低硫利用效率的根源、缓慢的硫转化动力学、锂金属负极的枝晶生长、SEI组分-厚度-力学性能变化等；在解决策略方面，本综述提出了以下建议：1）针对高温下电解液的可燃性、挥发性以及化学-电化学分解等问题，提出重点探索非易燃溶剂和多功能阻燃添加剂、设计热稳定性电解质体系、调制电解液浓度或者设计固态电解质等；2）针对低温下电解液的冻结、高粘度和低离子电导率等问题，筛选具有低熔点和抗冻功能的电解质体系、通过优化高介电常数溶剂和大离子半径阴离子调节锂离子-阴离子间的解离度和电解液粘度等；3）针对高温和低温下，多硫化物的溶解、穿梭、聚集、过早沉淀以及缓慢的转化反应动力学等问题，提出设计高效正极宿主材料、高导电性夹层材料、多硫化物锚定剂和催化剂材料等，进一步筛选氧化还原媒介添加剂和功能涂层材料，并通过相结构和电子结构等调控策略本征提高硫正极的电化学活性等；4）针对高温和低温下，过厚SEI层的生长、金属锂枝晶、富无机材料的脆性SEI层形成等问题，提出构建高效的3D骨架电极（具有亲锂性或具有化学组分-相结构梯度）、制备高效人工SEI层、平衡电解液体系（溶剂、阴离子、添加剂和相互间的浓度等）以形成稳定SEI层、结合锂金属负极极与插层/合金型负极材料等；最后，在未来发展愿景方面，本综述提出了：1）需进一步采用原位或现场表征技术理解和揭示高低温条件下多硫化物转化的相关工作机理；2）在不同温度下以及在贫电解液和高硫含量/负载量条件下，需进一步研究和澄清电解液化学对其离子迁移/扩散动力学以及金属锂负极SEI形成的影响机理；3）未来在开发高性能硫宿主材料或电催化剂材料时，需重点评估在较宽温度条件下其电化学性能；4）需进一步提高锂金属负极的可逆性和安全性使用性能；5）合理利用温度条件也是优化电池性能的有力策略。本综述所涉及的关键材料进展、共同挑战及其解决方案有望吸引更多的研究兴趣，并为宽温域可充电锂-硫电池的未来研究提供强劲动力。
本成果获得了国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目的资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107136