南开大学言天英教授、高学平教授，Advance Functional Materials：高性能锂硫电池电解质的研究前景

第一作者：刘静

通讯作者：言天英*，高学平*

单位：南开大学

具有高能量密度的锂硫（Li–S）电池被认为是下一代储能设备中最有前途的候选电池之一。电解质作为锂离子在电极间运输的介质，在抑制多硫化锂（LiPSs）的溶解和扩散方面也起着至关重要的作用。Li–S电池在不同电解质中的工作机制分为“固-液-固”和“固-固”转换。在“固-液-固”转换的电解质中，Li–S电池将不可避免面临“穿梭效应”所带来的挑战，严重制约电池的循环稳定性；在“固-固”转换的电解质中，Li–S电池也将面临界面匹配性差，硫活性物质低利用率，负极锂枝晶严重和电池能量密度偏低等问题。本文根据转换机制的不同，将电解质体系分为“固-液-固”转换机制的醚基、离子液体基、凝胶聚合物基电解质和聚合物基固态电解质，以及“固-固”转换机制的碳酸盐基电解质和氧化物/硫化物基无机固体电解质。基于活性物质在不同电解质中的转换机理，从多个方面总结了提升电池电化学性能的策略，以及为研究适配Li–S电池的电解质提供全面的指导。

近日，来自南开大学的言天英教授与高学平教授合作，在国际知名期刊Advance Functional Materials上发表题为“Perspectives of High-Performance Li–S Battery Electrolytes”的综述文章。该综述文章比较了Li–S电池在不同电解质中的转换机制，为电解质的挑战和设计方面提供了一个基本的理解，同时汇总了近期不同电解质在Li–S电池中的研究进展。

在“固-液-固”转化过程中，LiPSs易溶于溶剂中。溶剂化的LiPSs决定了Li–S电池电化学行为。然而由于LiPSs的溶剂化，Li–S电池将会面临“穿梭效应”、充放电过程中阴极体积的较大变化、活性物质的绝缘性、电解液安全性差和锂负极严重裂化等问题。在“固-固”转化过程中，活性物质的氧化还原发生在阴极的“固”相变上，即S₈一步转换为最终放电产物Li₂S，难溶于或不溶于电解质中。在“固-固”转换中也存在一些类似于“固-液-固”转换的共同挑战，如S₈和Li₂S的绝缘性能、电池在放电/充电过程中的大体积变化等问题。此外，在“固-固”转换中还需要解决Li–S电池缓慢的电极反应动力学、电极/电解质界面接触不良、低离子电导率和锂枝晶生长等问题。

基于“固-液-固”转换的Li–S电池不仅实现了高比能，而且在氧化还原动力学、电极材料的润湿性、锂离子的快速运输等方面具有更大的优势。目前，基于“固-液-固”转换的电解质包含醚类溶剂（非氟溶剂电解液、氢氟醚基电解液），离子液体基电解质，凝胶聚合物电解液和聚合物基固态电解质，以及常见的电解液的添加剂（锂盐、氧化还原介质、调节LiPSs分子轨道能级的添加剂）等。通过比较不同电解液的性质、作用机制以及研究进展，为后续Li–S电池用电解质的研发提供了借鉴和方向。

要点三：基于“固-固”转换的电解质的进展

基于“固-固”转换的Li–S电池可以从原理上可避免“穿梭效应”造成的循环稳定性差的问题。目前，基于“固-固”转换的电解质包含碳酸盐基电解质和无机固体电解质（氧化物基固体电解质和硫化物基固体电解质）。其中具有高离子电导率、宽电化学稳定性窗口和良好热稳定性的固体电解质被认为是未来实现Li–S电池商业化的最有竞争潜力的技术途径。本文综述了此类电解质的研究进展，旨在为选择合适的固体电解质提出新思考。

电解质的设计目前有两种不同的策略：一种是为LiPSs设计高溶解度的电解质，通过“固-液-固”转换实现高能量密度；另一种是通过“固-固”转换设计对消除溶解的电解质，从根本上解决“穿梭效应”，实现长期循环稳定性。基于各转换机制所面临的挑战，明确了不同电解质体系发展方向和解决其面临问题的策略。最后，探讨了全固态Li–S电池优势和挑战，提出无机固体电解质有望为实现全固态Li–S电池商业化提供最具竞争潜力的支撑。

言天英 简介：南开大学材料科学与工程学院，新能源材料化学研究所，研究员。教育部“新世纪优秀人才支持计划”入选者。主要开展新能源与材料化学相关体系的理论与计算化学方面的研究。使用计算机模拟方法深入理解微观分子间的相互作用，使之与宏观的物理化学性质联系起来。应用体系主要为能源材料、电解质体系等，研究兴趣在于界面的物理化学性质、溶剂化效应等。

高学平 简介：南开大学材料科学与工程学院，新能源材料化学研究所，研究员。长期从事新能源材料与化学电源研究，包括锂离子电池、锂-硫电池、光储能二次电池及关键材料。相关研究成果发表在Energy Environ Sci, Adv Mater, Adv Energy Mater，Adv Funct Mater, JACS, Angew Chem和 Nature Commun  等期刊上。论文共被SCI他人引用2万余次，单篇SCI最高引用频次1184次，h指数83。连续八年(2014-2021)入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者。