陈人杰：多电子高比能二次电池新系统及进步前辈功能电解质材料研究进展_头条

能源短缺和环境问题已经成为人类社会共同面临的两大危机，因此开发可再生能源和新型绿色储能技术是21世纪发展最重要的主题之一。同时，发展清洁可再生、高效的能源材料是我国社会经济发展的重大战略，已被列入《中国制造2025》等国家战略。在新材料技术领域，面对国家一系列的重大需求（如新能源汽车、光伏工程、储能电站、信息通信、国防军事、航空航天等），新型二次电池是实现能量高效转换与储存的重要组成。因此，研发具有高能量密度、高安全性、长寿命的锂二次电池及其关键材料已成为当前研究热点。发展基于多电子反应机制的高比能锂硫电池被认为是前沿动力电池技术发展的重要方向之一，其正极活性物质硫具有质轻、价廉的优点，与金属锂负极匹配可以构筑理论质量能量密度达到2600Wh·kg–1的二次电池体系，在未来的新型化学电源发展中具有良好的应用前景和商业价值

图1 锂二次电池的应用领域

多电子反应的理论基础

对于一个给定的化学反应，电化学能量的储存依赖于电子转移。

在标准状态下，吉布斯自由能ΔrGΘ可以通过能斯特方程来计算：

能量密度可以通过质量能量密度（Wh·kg–1）或者体积能量密度（Wh·L–1）来表示。因此，电池的质量能量密度εM和体积能量密度εV可以表示为

当电极材料的吉布斯生成能已知时，其理论能量密度可以通过式（3）和式（4）计算得出。如果电极材料的吉布斯生成能未知，则可以通过式（2）计算得到。对于一个给定的电极材料，其比容量可以通过等式（5）计算得出：

根据式（5），可以通过以下几种方式提升电池的能量密度：采用高比容量的电极材料；采用高氧化还原电位的正极材料；采用低氧化还原电位的负极材料；采用单位摩尔发生多个电子转移的活性材料。目前商业化电池的电解质稳定电压最高达到5 V。增加电池电压会导致电解质分解，发生不可逆副反应以及引发安全问题。一般来说，一种材料的理论储锂（钠）能力由转移电荷数和锂（钠）离子的迁移摩尔数决定。因此，开发更小摩尔质量的多电子电极材料是提高能量密度的有效途径。多电子反应的可能性取决于电极材料在一定电压范围内是否发生多价态氧化还原反应。

图2 元素周期表中具有多电子反应特性的元素

目前，锂离子电池的实际比能量已经逐渐接近其理论值。为了获得更高的比能量，必须构建基于低摩尔质量活性物质的电池新体系，且电化学反应能够实现多个电子转移，即轻元素多电子反应体系。锂硫二次电池主要以硫单质为正极和锂金属为负极构建而成，具有原材料来源丰富、价格低廉以及对环境友好等优点，在未来化学电源发展中具有良好的应用前景和商业价值。此外，锂硫二次电池的工作电压在2.1V 左右，可以满足多种场合的应用需求。因此，围绕锂硫二次电池及其关键材料的研究工作正受到越来越广泛的关注。但锂硫电池也存在很多不足，如硫导电性差、活性物质利用率低、倍率性能差、电池寿命短、锂金属负极腐蚀粉化、电解液分解等问题，这些短板很大程度上制约了锂硫电池的实际应用研究进程。

图3 锂硫历程

但锂硫电池也存在很多不足比如硫导电性差、活性物质利用率低、倍率性能差、电池寿命短、锂金属负极腐蚀粉化问题、电解液分解问题等，这些问题极大程度上制约了锂硫电池的实际应用研究进程。

图4 锂硫电池工程化发展的关键材料及技术

《多电子高比能例锂硫二次电池》一书，基于多电子反应机制的锂硫二次电池的工作原理、发展历程、研究现状和技术难点，重点阐述了锂硫电池不同组成和构型的正极材料的特性和研究思路；分析了锂金属负极的特点，并从界面改性和结构设计两方面探讨了实现高稳定负极的创新方法和技术途径；论述了锂硫电池电解质材料的研究发展，涵盖液体电解质、固体电解质和复合电解质等不同体系；比较了锂硫电池采用碳基、聚合物、金属化合物等不同材料开展改性隔膜及功能夹层设计研究的效果；系统介绍了理论计算方法和原位表征技术在锂硫电池研究中的应用；并对锂硫二次电池的工程化应用和发展前景提出了展望。