綜述！鋰硫電池陰極和夾層碳材料的最新進(jìn)展

1成果簡(jiǎn)介

鋰硫電池（LSBs）因其高理論比容量（1675 mAh g?1）、高能量密度（2600 Wh kg?1）及輕量化特性，正作為新一代儲(chǔ)能系統(tǒng)受到廣泛關(guān)注。盡管具備這些優(yōu)勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)：硫和硫化鋰的低電導(dǎo)率，以及多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致容量衰減迅速。碳材料憑借卓越的電導(dǎo)率、高孔隙率及優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性，成為解決這些問題的有力候選方案。此外，通過摻雜非金屬元素或引入金屬元素利用其巨大比表面積，可進(jìn)一步提升碳材料性能。此類改性增強(qiáng)了LiPSs的化學(xué)吸附能力，并提高了電化學(xué)反應(yīng)的催化活性，從而顯著提升鋰硫電池的整體性能。

本文，韓國科學(xué)技術(shù)院Jae W. Lee等研究人員在《Smalls structures》期刊發(fā)表名為“Recent Advances in Carbon Materials for Cathodes and Interlayers in Lithium–Sulfur Batteries”的綜述，研究根據(jù)碳材料的維度結(jié)構(gòu)——零維、一維、二維和三維——系統(tǒng)梳理了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展。該分類體系揭示了不同維度材料在比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)、電子/離子傳輸特性及活性位點(diǎn)可及性等結(jié)構(gòu)依賴性特征上的差異，為評(píng)估其作為硫宿主與層間介質(zhì)的作用提供了比較依據(jù)，并為鋰硫電池高性能碳材料的理性設(shè)計(jì)提供了理論指引。

2圖文導(dǎo)讀

自工業(yè)革命以來，工業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致全球能源消耗大幅增加[1]。為滿足不斷增長的能源需求，對(duì)化石燃料的依賴顯著加劇[2]，尤其在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，其廣泛使用已成為全球變暖和氣候變化的主要推手[3]。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，鋰離子電池（LIB）憑借其高工作電壓、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和低自放電率，在過去數(shù)十年間主導(dǎo)了儲(chǔ)能市場(chǎng)[4-6]。電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程，以及可再生能源的日益普及，正推動(dòng)著高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)需求。盡管具備諸多優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池仍受限于其相對(duì)較低的能量密度——通常在100至220 Wh kg?1之間，部分先進(jìn)系統(tǒng)可達(dá)350 Wh kg?1。這為滿足現(xiàn)代應(yīng)用日益增長的能源需求設(shè)置了重大障礙。因此，大量研究致力于開發(fā)新一代電池技術(shù)，通過新型電極材料和創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高能量密度、更長循環(huán)壽命及更優(yōu)長期穩(wěn)定性。

圖1、(a) Schematic of a Li–S battery. (b) Charging and discharging voltage profile of a Li–S battery.

2.1 零維碳基復(fù)合材料在鋰硫電池中的應(yīng)用

零維碳材料憑借其高比表面積和可調(diào)諧的表面功能性，展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，是儲(chǔ)能應(yīng)用的理想候選材料。典型代表包括富勒烯和碳量子點(diǎn)（CQDs），它們能有效限制鋰硫聚合物（LiPSs）的擴(kuò)散，同時(shí)提供額外的導(dǎo)電/催化位點(diǎn)以促進(jìn)電子傳輸。這類零維碳結(jié)構(gòu)通常通過前驅(qū)體或模板輔助法合成，隨后經(jīng)受控處理以獲得理想形態(tài)和孔隙率。

2.2 與催化元件集成的1D碳結(jié)構(gòu)

一維碳納米結(jié)構(gòu)（如碳納米管和碳納米纖維）因其線性形態(tài)在鋰硫電池中展現(xiàn)出巨大潛力，這種形態(tài)能提供連續(xù)的電子通路和結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性[102]。這些特性使其能有效整合硫及其他活性材料，適用于構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和柔性電極框架。其中，一維碳結(jié)構(gòu)的高長徑比與機(jī)械柔韌性尤其有助于形成互連導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可適應(yīng)充放電過程中的體積變化。此外，其可調(diào)表面化學(xué)性質(zhì)支持接枝極性官能團(tuán)或金屬化合物，從而增強(qiáng)與硫磺聚合物（LiPSs）的化學(xué)作用并抑制其擴(kuò)散。這些綜合優(yōu)勢(shì)共同提升了鋰硫電池系統(tǒng)的硫利用率、延長了循環(huán)壽命，并增強(qiáng)了倍率性能。

2.3 用于先進(jìn)鋰硫電池設(shè)計(jì)的2D分級(jí)碳材料功能化

二維材料因其高比表面積、優(yōu)異導(dǎo)電性及豐富的表面官能團(tuán)，在鋰硫電池應(yīng)用領(lǐng)域備受矚目。其強(qiáng)韌的力學(xué)性能可緩解硫的體積膨脹，從而防止電極粉化，同時(shí)提升硫利用率與循環(huán)穩(wěn)定性。此外，二維材料固有的堆疊、交聯(lián)或自組裝特性，使其能形成多孔互連結(jié)構(gòu)，促進(jìn)離子與電子的高效傳輸。憑借巨大的橫向比表面積、可調(diào)的層間距及高密度的催化位點(diǎn)，二維材料不僅是高效的硫宿主材料，更可作為極具前景的隔膜或隔離層組。

2.4 用于先進(jìn)鋰硫電池設(shè)計(jì)的3D分級(jí)碳基功能化材料

基于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，三維碳基材料——包括多孔碳骨架和金屬有機(jī)框架（MOF）衍生的結(jié)構(gòu)——在鋰硫電池研究中備受關(guān)注。這類材料具有互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、大比表面積和分級(jí)多孔性等特征，共同構(gòu)筑了高效的電子/離子傳輸通道、豐富的活性位點(diǎn)及充足的硫容納空間。尤為重要的是，其空間延展性框架能緩解循環(huán)過程中的體積膨脹，促進(jìn)硫均勻分布，使其特別適用于高負(fù)載長壽命鋰硫電池。此外，三維碳材料的結(jié)構(gòu)可塑性使其能同時(shí)承擔(dān)硫宿主與夾層的多功能角色，常通過協(xié)同作用將物理限制與化學(xué)吸附或催化功能相結(jié)合。下文將重點(diǎn)探討可調(diào)孔結(jié)構(gòu)多孔碳框架的設(shè)計(jì)進(jìn)展，以及針對(duì)鋰硫電池應(yīng)用定制的MOF衍生物碳雜化材料的最新研究成果。

3小結(jié)與展望

近年來，面向鋰硫電池的維度碳基材料研發(fā)取得顯著進(jìn)展，各類創(chuàng)新成果有效提升了硫的利用率、容量保持率及循環(huán)穩(wěn)定性。從零維復(fù)合材料到三維結(jié)構(gòu)的碳基材料展現(xiàn)出多樣化的電化學(xué)功能，基于維度的分類體系為理解鋰硫體系的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系提供了系統(tǒng)框架，并能識(shí)別出特定維度的優(yōu)化策略。不同形態(tài)各具優(yōu)勢(shì)：0D材料憑借高比表面積和可調(diào)活性位點(diǎn)增強(qiáng)催化性能，常通過分子級(jí)相互作用促進(jìn)硫化鋰的強(qiáng)化學(xué)吸附，并利用內(nèi)部空腔實(shí)現(xiàn)物理限制以有效抑制穿梭效應(yīng)； 一維結(jié)構(gòu)形成連續(xù)電子通路與機(jī)械柔性，通過構(gòu)建高效電子高速公路網(wǎng)絡(luò)，在柔性導(dǎo)電框架中展現(xiàn)卓越倍率性能并適應(yīng)硫體積膨脹，其特性有別于二維材料的平面?zhèn)鬏斈Ｊ剑?二維結(jié)構(gòu)確保快速電荷轉(zhuǎn)移與可調(diào)表面化學(xué)，在平面導(dǎo)電性方面表現(xiàn)卓越，并通過狹窄層間距實(shí)現(xiàn)硫化物的物理擴(kuò)散阻隔，形成三維材料通常缺乏的優(yōu)越物理屏障； 而三維結(jié)構(gòu)支持硫容納與穩(wěn)健網(wǎng)絡(luò)形成，獨(dú)特地提供三維多向傳輸路徑和分級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)超高硫負(fù)載量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要，可有效解決商用硫化鋰電池能量密度低的問題。由于單一維度結(jié)構(gòu)并無絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，基于應(yīng)用需求選擇或整合碳結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能硫化鋰電池至關(guān)重要。

展望未來，若干新興方向有望進(jìn)一步提升碳基電極在鋰硫體系中的性能。首先，自組裝碳（SAC）與缺陷工程在增強(qiáng)硫氧化還原反應(yīng)方面前景廣闊。通過將金屬原子或雜原子精確嵌入碳骨架，可在維持碳基體穩(wěn)定性的同時(shí)加速鋰硫化物轉(zhuǎn)化。

另一重要方向在于優(yōu)化碳材料與電解液的界面特性。盡管高導(dǎo)電性、高孔隙率及催化功能的碳結(jié)構(gòu)已被廣泛探索，但碳-電解液界面的性質(zhì)仍是影響多硫化物擴(kuò)散、離子傳輸及整體氧化還原動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素。通過改善碳-電解質(zhì)界面的潤濕性、表面化學(xué)性質(zhì)及電子相互作用，可促進(jìn)硫的氧化還原活性并抑制非預(yù)期副反應(yīng)。此外，合理設(shè)計(jì)碳表面以確保電解質(zhì)均勻滲透和穩(wěn)定的固電解質(zhì)界面，對(duì)于在高負(fù)載量和稀電解質(zhì)條件下維持長期穩(wěn)定性至關(guān)重要。

與此同時(shí)，固態(tài)鋰硫電池的快速崛起為碳-電解質(zhì)界面帶來新挑戰(zhàn)與機(jī)遇。實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)與活性材料間的有效物理化學(xué)接觸，對(duì)離子跨越剛性邊界至關(guān)重要。碳材料憑借可調(diào)諧的表面功能性和機(jī)械適應(yīng)性，可在降低界面電阻、促進(jìn)固-固界面離子擴(kuò)散方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。引入柔性貼合碳結(jié)構(gòu)（如柔性多孔網(wǎng)絡(luò)或可壓縮夾層）可緩沖界面應(yīng)力、適應(yīng)體積變化并維持連續(xù)導(dǎo)電路徑。針對(duì)固態(tài)體系專門設(shè)計(jì)的碳材料，對(duì)釋放新一代安全高能量密度鋰硫電池的全部潛力至關(guān)重要。

此外，融合不同碳材料或?qū)⑵渑c金屬納米粒子、導(dǎo)電聚合物等功能組件結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提升鋰硫電池的電化學(xué)性能。這類混合結(jié)構(gòu)不僅能增強(qiáng)催化活性，還能加速離子傳輸并改善多硫化物保留能力。

盡管取得這些進(jìn)展，在性能、成本與可持續(xù)性之間取得平衡仍面臨多重挑戰(zhàn)。未來鋰硫電池研究必須超越實(shí)驗(yàn)室層面的性能指標(biāo)，聚焦于實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)，例如工藝復(fù)雜度和環(huán)境友好性。部分合成工藝與材料的高成本（如特定金屬催化劑和復(fù)雜模板）可能阻礙大規(guī)模生產(chǎn)。具體而言，盡管MOF衍生的碳材料、MXene和GDY等高性能材料具有卓越的電化學(xué)性能，但因采用高成本前驅(qū)體和復(fù)雜合成路線，其商業(yè)化仍面臨重大障礙。此外，需優(yōu)化這些材料的長期循環(huán)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，以滿足商用鋰硫電池的需求。未來研究應(yīng)聚焦于開發(fā)兼具成本效益與可擴(kuò)展性的合成方法及材料，在保持高電化學(xué)性能的同時(shí)確保環(huán)境可持續(xù)性，從而推動(dòng)鋰硫電池成功商業(yè)化。

要實(shí)現(xiàn)高性能鋰硫電池，優(yōu)化電池設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其中正極碳材料特性是核心環(huán)節(jié)。機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)能預(yù)測(cè)和優(yōu)化復(fù)雜材料特性，有望顯著提升鋰硫電池設(shè)計(jì)中碳材料的篩選與優(yōu)化效率。通過映射異原子摻雜等改性措施對(duì)碳材料維度的影響，ML可推薦定制化優(yōu)化策略以實(shí)現(xiàn)卓越性能[187, 188]。事實(shí)上，眾多研究正積極推進(jìn)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，將電池設(shè)計(jì)參數(shù)與性能建立關(guān)聯(lián)，例如通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助合成適用于鋰硫電池設(shè)計(jì)的理想金屬有機(jī)框架材料。隨著鋰硫電池結(jié)構(gòu)與構(gòu)成材料的復(fù)雜性持續(xù)提升，機(jī)器學(xué)習(xí)在電池設(shè)計(jì)中的重要性也將相應(yīng)增強(qiáng)。

綜上所述，盡管維度碳材料在解決鋰硫電池諸多挑戰(zhàn)方面展現(xiàn)出巨大潛力，但要實(shí)現(xiàn)下一代高性能、經(jīng)濟(jì)高效且可持續(xù)的儲(chǔ)能解決方案，材料設(shè)計(jì)、合成技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用層面的持續(xù)創(chuàng)新仍至關(guān)重要。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1002/sstr.202500639

來源：材料分析與應(yīng)用