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蘇大李彥光InfoMat: 鋰硫電池到其他金屬-S電池的知識和經(jīng)驗移植

與備受推崇的鋰硫電池相比，使用非鋰負極（Li、Na、K、Ca、Mg和Al）的可充電金屬硫電池在豐度、成本和體積能量密度方面具有多重優(yōu)勢。盡管使用相同的硫正極，金屬硫電池在電化學(xué)反應(yīng)途徑和容量衰減機制方面表現(xiàn)出很大差異。

在此，蘇州大學(xué)李彥光教授等人概述了金屬-S電池的相關(guān)性和差異，強調(diào)了可以從鋰硫電池移植到其他金屬-S電池的知識和經(jīng)驗。作者討論了各種金屬-S電池的歷史發(fā)展和電化學(xué)反應(yīng)機理，并從多硫化物穿梭、正極鈍化和負極穩(wěn)定性方面提供了對容量衰減機制的當(dāng)前機械理解。

根據(jù)目前的文獻調(diào)查，作者發(fā)現(xiàn)多硫化物穿梭導(dǎo)致了具有堿金屬負極（即Li、Na和K）的金屬-S電池的容量衰減，而硫正極和金屬負極的電極鈍化是含多價金屬負極（即Mg、Ca和Al）的金屬-S電池容量衰減的主要原因。與鋰硫電池相比，非鋰金屬硫電池的研究進展仍處于早期階段，其實際性能存在硫利用率低、容量衰減快、倍率能力有限和庫侖效率低等問題。

圖1. 抑制金屬-S電池中多硫化物穿梭的一般策略

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，最后作者簡要介紹了金屬-S電池未來可能的發(fā)展：

（1）硫正極的合理設(shè)計和制備仍是重中之重。為了提高硫反應(yīng)動力學(xué)，合理設(shè)計功能性硫主體是最常用的方法。

（2）加深對各種金屬-S電池中硫轉(zhuǎn)化化學(xué)的理解。應(yīng)整合先進的原位光譜/顯微鏡技術(shù)、電化學(xué)分析方法和理論模擬，以填補知識空白。

（3）致力于提高具有高金屬電鍍/剝離可逆性的金屬負極的穩(wěn)定性。未來可以為單價負極（Li⁺、Na⁺和K⁺）設(shè)計離子導(dǎo)電保護層，及為多價負極（Mg²⁺、Ca²⁺和Al³⁺）設(shè)計沒有多硫化物溶解的新電解質(zhì)。

（4）在實際條件下研究金屬-S電池至關(guān)重要。未來對金屬-S電池的研究應(yīng)側(cè)重于實際測試條件，以評估其反應(yīng)機理和電化學(xué)性能。

圖2. 解決金屬-S電池中正極和負極鈍化的一般策略

Room-temperature metal–sulfur batteries: What can we learn from lithium–sulfur? InfoMat 2022. DOI: 10.1002/inf2.12291

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