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北理黃佳琦/袁洪Adv. Sci.：500 Wh/kg鋰硫電池的負(fù)極材料選擇

鋰硫（Li-S）電池因其高達(dá)2600 Wh kg^-1的超高理論能量密度而被認(rèn)為是最有前途的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。然而，鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過(guò)程中會(huì)發(fā)生劇烈的體積變化、多硫化物電解液的持續(xù)腐蝕和枝晶形成，導(dǎo)致循環(huán)壽命有限?？紤]到鋰金屬負(fù)極是一把雙刃劍，有助于超高能量密度但會(huì)造成有限的循環(huán)壽命，有必要評(píng)估鋰基合金作為負(fù)極材料以替代鋰金屬用于高性能Li-S電池。

北京理工大學(xué)黃佳琦、袁洪等系統(tǒng)地評(píng)估了使用鋰金屬或鋰基合金構(gòu)建實(shí)際能量密度為500 Wh kg^-1的Li-S電池的潛力和可行性。

圖1 不同負(fù)極材料的Li-S電池在一級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)的理論能量密度

在此作者提出了一種三級(jí)定量分析方法，通過(guò)考慮目標(biāo)能量密度500 Wh kg^-1所需的電解液量，逐步篩選負(fù)極材料。在第一級(jí)，只考慮活性材料的重量，電極比容量設(shè)為理論值。在第二級(jí)，電解液被視為關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，電極比容量設(shè)置為實(shí)驗(yàn)報(bào)告值。

在第三級(jí)，能量密度是基于Li-S軟包電池的所有組件（包括集流體和封裝）計(jì)算的。按照上述方法，這里考慮了十種負(fù)極材料，除了鋰金屬外，只有Li-Mg合金證明了實(shí)現(xiàn) 500 Wh kg-1 Li-S軟包電池的可行性。

圖2 評(píng)估達(dá)到500 Wh kg^-1能量密度目標(biāo)所需的電解液量

在此基礎(chǔ)上，作者討論了近年來(lái)Li-Mg及其它鋰基合金的研究進(jìn)展，并展望了其發(fā)展前景。盡管單獨(dú)使用其他鋰基負(fù)極材料并不能實(shí)現(xiàn)高能量密度，但它們與鋰金屬的組合來(lái)制造復(fù)合負(fù)極對(duì)于解決鋰金屬負(fù)極的挑戰(zhàn)是可行的。

目前，在Li-S電池中使用合金負(fù)極材料替代鋰金屬負(fù)極的研究已有多項(xiàng)。相信先進(jìn)鋰基負(fù)極的開(kāi)發(fā)將為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)500 Wh kg-1 Li-S電池及以上做出重大貢獻(xiàn)。

圖3 在第三個(gè)評(píng)估級(jí)別的實(shí)用Li-S軟包電池的能量密度

Anode Material Options Toward 500 Wh kg?1 Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103910

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