清华张强等人锂硫电池电极材料研究新进展

诸平

         锂硫电池是锂电池的一种，截止2013年尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。比容量高达1675 mAh/g，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量（<150 mAh/g）。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。

        锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675 mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860 mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287 V，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li₂S）时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600 Wh/kg。

        但是，锂硫电池主要存在3个主要问题：其一是锂多硫化合物溶于电解液；其二是硫作为不导电的物质，导电性非常差，不利于电池的高倍率性能；其三是硫在充放电过程中，体积的扩大缩小非常大，有可能导致电池损坏。面对这些难题主要的解决方法是从电解液和正极材料两个方面入手。第一是电解液方面，主要用醚类的电解液作为电池的电解液，电解液中加入一些添加剂，可以非常有效的缓解锂多硫化合物的溶解问题。第二是正极材料方面，主要是把硫和碳材料复合，或者把硫和有机物复合，可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。而最近清华大学化工系副教授张强博士等人的研究新成果，分层独立碳纳米管超高载硫纸电极，可以使锂硫电池的上述问题得到很好解决，此研究成果已经在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）网站于2014年10月20日发表——Yuan Z, Peng HJ, Huang JQ, Liu XY, Wang DW, Cheng XB, Zhang Q,"Hierarchical free-standing carbon nanotube paper electrodes with ultrahigh sulfur loading for lithium-sulfur batteries." Advanced Functional Materials, 2014, 24(39), 6105-6112. DOI:10.1002/adfm.201401501

    物理学家组织网（Phys.org）对此也有介绍，详见附件：

2014-10-flexible-paper-electrodes-ultra-high-lithium-sulfur.pdf

清华大学化工系张强，教授，出生于宁安市，清华大学副研究员，主要从事纳米材料化工、能源与多相催化的研究。曾获得全国百篇优秀博士论文（2011 年）、北京市优秀博士论文（2010 年）、The 2012 Excellence in Review Awards for CARBON等奖励。2000年入学清华大学进行本科及研究生的学习，2009年毕业获得博士学位。 2009 年7 月赴美国凯斯西储大学从事碳纳米管基氧还原催化剂的开发。2010 年3 月赴德国马普协会Fritz Haber研究所从事碳纳米管原位生长及纳米碳基能源材料的研究。2011年9月回到清华大学工作。目前主要从事纳米碳材料化工、能源颗粒的研究，在纳米碳可控制备、能源转化方面取得一定成绩，已在Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Adv Mater, Adv Funct Mater, ACS Nano, Nature Communications, Nano Lett, Carbon等期刊发表SCI检索论文100余篇，引用2100余次。申请中国专利16项，PCT国际专利2项，其中10项专利已授权。