锂硫电池是一种高能量密度的二次电池，其正极材料为单质硫或硫的复合物。相比于普通锂离子电池，锂硫电池具有较高的
理论比容量（近3倍于普通锂离子电池）和能量密度。此外，锂硫电池在宽温度范围内保持良好性能、固有安全机理以及高功率放
电等特点。然而，锂硫电池的研发过程中存在一些问题，如硫分子结构影响电子传输、放电反应中间产物影响正极材料利用率
等；锂硫电池，作为下一代高能量密度的储能系统，正受到越来越多的关注。其中，催化材料在锂硫电池中发挥着重要的作用，
它能够促进硫正极的活性，并抑制“穿梭”效应。本文将详细阐述锂硫电池中催化材料的作用，并结合实例进行深入探讨。
1、首先，催化材料在锂硫电池中能够提高硫正极的活性。
1）硫正极是锂硫电池的核心部分，它的活性直接影响到电池的能量密度和充放电性能。通过使用催化材料，可以降低硫正极的活
化能，提高其反应活性，从而增加电池的能量密度和充放电性能。
2）例如，一种常用的催化材料是碳纳米管。研究表明，将碳纳米管添加到硫正极中，可以显著提高锂硫电池的性能。碳纳米管具
有优异的导电性和高比表面积，可以提供更多的反应活性位点，加速硫正极的反应速率。此外，碳纳米管还可以有效地防止硫的
溶解和漂移，提高电池的循环稳定性。因此，使用碳纳米管作为催化材料，可以大幅度提高锂硫电池的能量密度和充放电性能。
3）以阳极氧化铝(AAO)为模板,制备硫-空心碳纳米纤维复合材料,如图12-12所示。空心碳纳米纤维具有大的比表面积,不仅可提供
Li2S沉积的场所，而且可有效缓解电极活性材料因体积膨胀而导致的粉化。与此同时，空心碳纳米纤维具有较薄的碳壁,有利于锂
离子的快速传输,提高电池的倍率性能。在AAO 模板的保护下，硫均匀地填充在碳纳米纤维的内部，避免了硫与电解液的直接接
触，有利于抑制多硫化物的扩散。在0.2C 的倍率下，循环充放电150次后,复合材料仍具有730mA·h/g的容量。另电解液中LiNO3的
添加使电池的库仑效率保持在99%以上。
2、其次，催化材料还能抑制“穿梭”效应。
1）在锂硫电池的充放电过程中，硫正极会释放出硫化物，这些硫化物会溶解在电解液中并穿梭到负极，导致电池容量的快速衰
减。而催化材料可以吸附这些溶解的硫化物，阻止其穿梭到负极，从而延长电池的循环寿命。
2）例如，一种常用的催化材料是多孔碳材料。研究发现，将多孔碳材料作为硫正极的包覆层，可以有效地抑制硫化物的穿梭效
应。多孔碳材料具有高度的孔隙结构和大的比表面积，可以吸附溶解的硫化物，防止其进一步扩散到负极。这种包覆层不仅可以
减少硫化物对电解液的损耗，还可以防止负极的电化学反应被硫化物干扰，从而延长电池的循环寿命。因此，使用多孔碳材料作
为催化材料，能够有效地抑制硫正极的穿梭效应，提高锂硫电池的循环稳定性。
3）用表面进行亲锂修饰过的三维多孔碳结构,像“纸吸水”一样把融化的液态锂吸入其中,金属锂仍能占据90%的体积以及2/3的质
量,同时坚固的碳结构对电极起到了支撑作用,充放电过程中整个复合电极形状、厚度几乎没有变化,电池循环寿命以及安全性能得
到了极大提高。
3、此外，除了提高硫正极的活性和抑制“穿梭”效应，催化材料还可以改善锂硫电池的界面反应。
1）在锂硫电池中，界面反应是导致电池性能下降的一个重要因素。通过使用催化材料，可以优化电极的表面结构，提高电极与电
解液之间的相容性，从而降低界面反应的影响。
2）举个例子，一种常用的催化材料是二氧化钛。研究表明，将二氧化钛纳米颗粒添加到锂硫电池的正负极中，可以显著提高电池
的性能。二氧化钛具有良好的光催化性能和电化学催化性能，可以促进电极表面的化学反应和电化学反应，从而优化电极的表面
结构，提高电极与电解液之间的相容性。此外，二氧化钛还可以吸附电解液中的氢氟酸根离子，防止其与锂离子发生反应，减少
界面反应的影响。因此，使用二氧化钛作为催化材料，可以优化电极的表面结构，降低界面反应的影响，提高锂硫电池的性能。
3）通过使用TiO2包裹硫,制备核壳式含硫复合材料,然后再去除一部分硫,使得TiO2壳中留有一定的多余空间,制备了一种含硫质量分
数达71% 的“蛋黄式”含硫复合核壳材料,见图12-17。同时,亲水性的Ti-O 基团和表面羟基对多硫阴离子有吸附作用,进一步抑制了
多硫化物的扩散。TiO2核壳材料在0.5C 的倍率下,首次放电比容量为1030mA·h/g,充放电循环1000次时其比容量仍然保持在
690mA·h/g以上,容量保持率为67%,库仑效率高达98.4%。
总之，催化材料在锂硫电池中发挥着重要的作用。通过使用合适的催化材料，我们可以提高硫正极的反应活性，抑制“穿
梭”效应，并改善锂硫电池的界面反应。这些作用对于提高锂硫电池的性能和稳定性具有重要意义。未来，随着对催化材料的深
入研究和新材料的不断涌现，我们有理由相信锂硫电池将会成为一种更高效、更环保的储能系统。
|
