随着社会和科技的发展，人类对电化学储能技术的需求日益增大，研究人员都在寻找具有更高比能量的下一代二次电池。锂硫电池以硫为正极活性物质，基于硫与锂之间的可逆电化学反应来实现能量储存和释放，其理论比能量可达2600 Wh/kg，是目前锂离子电池的3-5倍，有望被应用于动力电池、便携式电子产品等领域。

　　锂硫电池领域重要科学与技术难题之一是单质硫及其放电产物 Li₂S₂，Li₂S 是典型的电子和离子绝缘体。因此正极内部的电荷传递受阻，导致硫利用率低下，无法发挥其高理论比容量的优势；同时传荷效率低下也影响了电池的倍率性能等动力学性能的提升。

　　近日，中科院苏州纳米所陈立桅研究员课题组在理解锂硫正极电荷传递过程的特性，促进正极内部的电荷高效传递的研究中取得了新进展。

　　研究人员从基础研究入手，聚焦于硫材料的纳米尺寸效应，制备了粒径尺寸小于50nm的硫颗粒，并利用导电聚合物PEDOT包覆硫颗粒以期实现高比容量且高循环稳定性的锂硫电池（图1）。研究表明，通过硫材料的纳米化可以显著提升正极内部电荷传递效率，实现较高的放电比容量。此工作发表于Sci.Rep.,2013,3,1910。在此工作的基础上，研究人员进一步精确控制硫粒子尺寸，利用硫-胺法（Chem. Commun., 2014,50,1202）合成制备了不同粒径的硫纳米颗粒。通过研究硫材料在不同尺度下的传荷特性，理解其与放电比容量、能量密度、动力学性能等电池性能的关系（图2）。研究表明随颗粒尺寸的减小，电荷传输距离随之减小，硫材料的利用率及动力学特性随之得到显著提升。研究人员探索了利用尺寸调控使硫正极行为趋近或实现硫材料的理论比容量的方法。研究表明当硫颗粒尺寸减小至约5nm范围并在较低电流密度下充放电时，硫正极可以克服传荷瓶颈，实现高达1672 mAh/g的理论放电比容量值。此工作对通过合理的电极设计以实现锂硫电池正极高效的电荷传递具有指导意义。近日发表于Nano Lett. 2015, 15, 798。

　　在进行基础研究的同时，课题组研究人员还试制了软包锂硫电池，努力推动该技术的实际应用和工程化研发（图3）。在中科院战略性先导科技专项“变革性纳米制造产业技术聚焦”项目一“长续航动力锂电池”的支持下，软包锂硫电池的性能指标分别能达到能量密度高于400 Wh/Kg，循环次数高于50次。

　　该系列工作得到国家自然科学基金、中国科学院先导专项以及苏州纳米所的经费资助与研发条件支持。



图1. PEDOT包覆S纳米颗粒及其电化学性能（Sci.Rep.,2013,3,1910）



　　图2. 粒径为5nm的硫颗粒的电化学性能（Nano Lett. 2015, 15, 798）



图3. 锂硫软包电池原型