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鋰離子電池（LIBs）無疑是目前幾乎所有便攜式電子設(shè)備、電動汽車、甚至大型固定式儲能設(shè)備中的主力軍。鑒于LIB所面臨的困境，出現(xiàn)了一個大問題，即哪種電池將是”LIBs”的選擇。在領(lǐng)跑者中，鋰硫電池（LSBs）由于其固有的高能量密度和極低的成本而被廣泛地追求。盡管在過去的十年中，在實驗室規(guī)模的硫化學(xué)和電池性能方面取得了穩(wěn)定、甚至令人激動的進展，但主要的瓶頸之一是LIB循環(huán)性。

新加坡國立大學(xué)John Wang、同濟大學(xué)潘爭輝等研究了LSB所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和機遇，以及在材料、電極/電解質(zhì)和電池集成層面上可以采取的方法，以使LSB在追求”超越LIBs”的過程中從一個排頭兵變成一個真正的領(lǐng)先者。雖然關(guān)鍵的新機理見解非常重要，但作者提出了一套液態(tài)和固態(tài)LSB的近期研究方向，目前正在進行的液態(tài)和固態(tài)LSB的平行研究將在此匯聚。在未來十年LSBs的預(yù)期商業(yè)化過程中，”液態(tài)現(xiàn)狀”將逐漸被”固態(tài)未來”所取代。

圖1. 硫化學(xué)和路線圖

遲緩的多硫化物反應(yīng)動力學(xué)、惰性電子/離子特性、多個固/液轉(zhuǎn)換反應(yīng)的動態(tài)挑戰(zhàn)以及多硫化物穿梭被認為是LSBs路線圖中的基本挑戰(zhàn)，因此需要采取系統(tǒng)的方法來探索有效的策略。通過在不同固/液反應(yīng)中與不同硫物種結(jié)合的異步轉(zhuǎn)換介體的新設(shè)計，連續(xù)分步的介體氧化還原轉(zhuǎn)換是促進多步多硫化物轉(zhuǎn)換過程的一個有價值的方法。

此外，分步催化劑的概念也是對介體的良好補充，特別是在高硫負載條件下。考慮到催化過程中的動態(tài)表面重建，應(yīng)該強調(diào)催化劑的穩(wěn)定性。通過原位和/或?qū)崟r表征技術(shù)跟蹤動態(tài)重建，以建立對催化活化深入機理的了解，將具有很大的價值。此外，與”高濃度”原則不同，這種”以空間換鹽”的新概念可以成為解決多硫化物穿梭問題的可行方法，即在溶劑化鞘上施加空間限制，以控制離子-溶劑復(fù)合體并去除自由溶劑分子。

圖2. 硫和鋰對實用鋰硫電池的挑戰(zhàn)

針對以LIBs為主的大規(guī)模實際應(yīng)用，全固態(tài)LSBs是最終目標。然而，盡管目標很明確，但仍有幾個關(guān)鍵問題得到解決。在各種固態(tài)電解質(zhì)中，軟硫化物和鹵化物基電解質(zhì)因其易于制備和高性能而受到特別關(guān)注。

因此，應(yīng)致力于探索大規(guī)模的空氣穩(wěn)定合成工藝，以滿足商業(yè)應(yīng)用的低成本期望。減薄電解質(zhì)和增厚硫正極是最終推動能量密度超過800?Wh?kg^-1的有效途徑之一，其中在正極內(nèi)建立快速的Li⁺/e^–傳輸“高速公路”是關(guān)鍵。在目前的狀態(tài)下，LSBs仍然是“未加工的鉆石”，但穩(wěn)步發(fā)展最終將縮小學(xué)術(shù)研究與工業(yè)發(fā)展之間的差距，并使LSBs在不久的將來成為“超越LIBs”時代的領(lǐng)先者。

圖3. 鋰硫電池商業(yè)化發(fā)展的路線圖和指標

Will lithium-sulfur batteries be the next beyond-lithium ion batteries and even much better? InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12359

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?InfoMat：鋰硫電池會成為下一個超越鋰離子電池，甚至更好的電池嗎？

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