隨著可再生能源供應(yīng)的不斷增長(zhǎng)，低碳化、電氣化已成為能源電力發(fā)展的主要趨勢(shì)。在這一大背景下，電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)期盼能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程。然而，由于缺乏具有穩(wěn)定“儲(chǔ)能”與“供電”能力的電源系統(tǒng)，這一愿望想要真正實(shí)現(xiàn)并不是一朝一夕的事情。
盡管鋰電池目前已經(jīng)被大規(guī)模商業(yè)化，然而鋰電池的實(shí)際性能已逐漸接近理論極限，成為能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的“瓶頸”。具有較高的理論能量密度、較低的電極材料成本，以及正極硫材料環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)的鋰硫電池受到了廣泛的關(guān)注，其在電動(dòng)汽車、無人機(jī)及軍用便攜式電源領(lǐng)域有著廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，被認(rèn)為是下一代最具發(fā)展前景的儲(chǔ)能技術(shù)之一。
前景是光明的，道路是曲折的。由于硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電率低、多硫化物穿梭以及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致硫的利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差。為了提高活性材料硫的利用率、改善鋰硫電池的電化學(xué)性能，近年來科研人員進(jìn)行了大量的探索與研究，積極尋找著適合的硫宿主材料、黏合劑以及電解質(zhì)。
（來源：蘇州大學(xué)能源學(xué)院）
目前，這些領(lǐng)域的許多研究已經(jīng)取得了一些成果，但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負(fù)載量低、面容量低、電解液使用過量等問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用和商業(yè)化要求。已有相關(guān)研究表明，導(dǎo)致鋰硫電池能量密度不足、電池循環(huán)壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。
多硫化物的“穿梭效應(yīng)”，即在鋰硫電池的放電過程中，硫的電化學(xué)還原是兩電子、多步驟的反應(yīng)，反應(yīng)生成多硫化物（Li2Sx）中間產(chǎn)物，可溶解于醚類電解液；若擴(kuò)散至負(fù)極，則與鋰反應(yīng)生成不溶性的硫化鋰，鋰?yán)^而被腐蝕并消耗活性物質(zhì)，造成容量的不可逆損失，從而降低電池的循環(huán)壽命。
而抑制“穿梭效應(yīng)”是鋰硫電池研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，其核心就是如何使其反應(yīng)中生成的長(zhǎng)鏈多硫化物束縛在硫正極側(cè)，或從根本上抑制多硫化物的產(chǎn)生。雖然這在原理上是可行的，但還需要進(jìn)行進(jìn)一步的探索研究。
日前，蘇州大學(xué)能源學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、北京大學(xué)的研究人員首次將高效電催化劑引入可打印墨汁中構(gòu)建3D打印硫正極，獲得了具有高倍率性能和面容量的鋰硫電池，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《納米能源》雜志。據(jù)稱，相關(guān)技術(shù)還可推廣到其他新興的儲(chǔ)能設(shè)備領(lǐng)域，為發(fā)展新型、高效、規(guī)?；碾姌O構(gòu)筑方法提供重要借鑒。
基于3D打印技術(shù)構(gòu)筑高導(dǎo)電性硫正極
（來源：蘇州大學(xué)能源學(xué)院）
3D打印技術(shù)自誕生以來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍工、航天、汽車、電子、機(jī)械、建筑等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)，它在鋰電池、鋰氧電池、鋅電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)中也得到了初步應(yīng)用。在長(zhǎng)期關(guān)注并開展烯碳能源材料及應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，近年來該研究團(tuán)隊(duì)從3D打印技術(shù)中找到了新的思路。
3D打印技術(shù)有助于構(gòu)建多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的自支撐無集流體電極，并利于離子和電力的快速傳輸。他們指出，將3D打印技術(shù)這一優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到鋰硫電池中，通過控制打印層數(shù)實(shí)現(xiàn)控制電極材料的負(fù)載量，可突破常規(guī)涂覆法制備電極的厚度限制，從而獲得具有高單位面容量的電池系統(tǒng)；在實(shí)際應(yīng)用方面，3D打印技術(shù)還可滿足定制化和規(guī)?；瘍?chǔ)能器件的構(gòu)筑需求。
研究人員利用3D打印技術(shù)，方便、高效、便捷地構(gòu)筑了高負(fù)載硫正極，該架構(gòu)具有經(jīng)過優(yōu)化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率，有利于對(duì)多硫化物進(jìn)行高效管理。同時(shí)，為了更好地抑制“穿梭效應(yīng)”，研究人員設(shè)計(jì)了包含硫/碳和LaB6電催化劑的混合墨汁，用于打印高性能的硫正極。金屬性LaB6電催化劑可以均勻地分布在3D打印的架構(gòu)內(nèi)，自發(fā)地確保有豐富的活性位點(diǎn)用于多硫化物的固定和轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)高效率的放電或充電過程。
基于3D打印構(gòu)筑硫正極的動(dòng)力學(xué)表征
（來源：蘇州大學(xué)能源學(xué)院）
研究人員表示，這對(duì)多硫化物的管控起到了積極作用，能更加有效地抑制’穿梭效應(yīng)’，從而獲得具有優(yōu)異性能的鋰硫電池體系。同時(shí)，這也為設(shè)計(jì)鋰硫電池的正極結(jié)構(gòu)和提升硫正極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提供了新的思路。
據(jù)悉，該研究團(tuán)隊(duì)此前孵化的鋰硫電池的續(xù)航時(shí)間是同樣重量鋰電池的2.5倍，且目前已經(jīng)在大翼展無人機(jī)、高速無人機(jī)上試飛成功。然而面向能量存儲(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域的3D打印技術(shù)還存在許多關(guān)鍵“瓶頸”待突破，如電極的打印精度對(duì)設(shè)備配置提出了更高的要求，打印墨汁的制備工藝亟待系統(tǒng)探索，缺乏規(guī)?；∷⒀b備等。同時(shí)，在該技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化過程中，須開發(fā)3D打印自支撐結(jié)構(gòu)的硫正極，從而實(shí)現(xiàn)高載量硫電極的規(guī)?；苽洹?
研究人員指出，要真正實(shí)現(xiàn)低碳乃至無碳、貧電解液、高載硫的鋰硫電池系統(tǒng)，還有許多問題需要解決。例如，為了獲得高體積能量密度的鋰硫電池，需要提高硫正極的密度，并采用少碳甚至無碳宿主；由于硫正極的多孔性導(dǎo)致需要消耗大量電解液，因此需要通過優(yōu)化正極的孔結(jié)構(gòu)，以降低電解液的用量；在規(guī)模化生產(chǎn)鋰硫電池體系中，須采取抑制其枝晶生長(zhǎng)的策略等，以保證鋰負(fù)極的安全性等等。
