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摘要：隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰硫電池作為能源的存儲(chǔ)中介，對(duì)提高能源的利用效率十分重要，通過(guò)鋰硫電池的化學(xué)結(jié)合力的作用原理進(jìn)行分析，探究了鋰硫電池中具有化學(xué)結(jié)合作用的載體材料及具體的使用性能，為相關(guān)的工作人員提供借鑒與幫助。

關(guān)鍵詞：鋰硫電池；化學(xué)結(jié)合力；載體

1鋰硫電池的化學(xué)結(jié)合力的作用原理

鋰硫電池具體的化學(xué)反應(yīng)方程式為：S8＋16Li2→8Li2S，在電池放電的過(guò)程中，鋰金屬陽(yáng)極（負(fù)極）被氧化，形成鋰離子以及等價(jià)電子，二者在電解質(zhì)與外部電路的作用下，到達(dá)硫陰極（電池正極），硫離子與鋰離子、電子進(jìn)行還原反應(yīng)，形成硫化鋰，完成電池的放電過(guò)程。放電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)方程式為，正極方程式：S8＋16Li++16e-→8Li2S，負(fù)極方程式為：Li→Li++e-。電池的充電反應(yīng)過(guò)程中剛好與放電過(guò)程相反，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式為：Li++e-→Li，8Li2S→S8＋16Li++16e-，電池的充放電過(guò)程的方程式比較簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的反應(yīng)過(guò)程是十分復(fù)雜的，在放電的過(guò)程中，硫首先需要鋰化而形成一系列的長(zhǎng)鏈多硫化鋰物質(zhì)（如：S8，Li2，S8，Li2S6，Li2S4）等，而這些硫化鋰物質(zhì)十分容易溶解在醚基電解質(zhì)中，在該反應(yīng)中硫的總量占總?cè)萘康?5%，在進(jìn)一步反應(yīng)鋰化時(shí)，將更多的長(zhǎng)鏈鋰化物溶解為短鏈硫化物，這時(shí)生成的物質(zhì)將會(huì)沉淀到電極上完成放電過(guò)程。整個(gè)充電與放電的過(guò)程中，鏗硫電池經(jīng)歷固－液-固體三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，這與傳統(tǒng)的鋰離子電池反應(yīng)存在著明顯的區(qū)別。在該化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理中，鋰與硫的反應(yīng)是一種聚合反應(yīng)，需要具有化學(xué)結(jié)合作用的載體材料，形成化學(xué)結(jié)合力的作用于硫與聚合物之間，充電時(shí)，硫在與部分聚合物在溫度達(dá)到200-300℃時(shí)，發(fā)生硫化反應(yīng)，并以S-S與C-S鍵的形態(tài)存在于硫化反應(yīng)的聚合物環(huán)境中。在放電的過(guò)程中，S-S與C-S鍵逐漸斷裂，經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成Li2S，并存在于聚合物基體中（載體可以是金屬氧化物、氧化石墨烯等具有較強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合作用），而在充電時(shí)可以將聚合物中的基體中的硫捕獲在復(fù)制的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，在整個(gè)化學(xué)反應(yīng)中，避免了電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中形成的多硫化合物，使得鋰硫電池具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2鋰硫電池中具有化學(xué)結(jié)合作用的載體材料

2.1金屬氧化物載體材料

在鋰硫電池充放電的過(guò)程中，通過(guò)金屬氧化物載體材料與同為極性分子的多硫氧化物發(fā)生強(qiáng)烈的吸附作用，可以有效的作為鋰硫電池反應(yīng)的吸附劑，提高復(fù)合硫/碳電極材料的庫(kù)侖效率，使得鋰硫電池的初始放電容量與循環(huán)的穩(wěn)定性，常用的納米金屬氧化物有Mg0.6Ni0.4O，Al203等，都具有很強(qiáng)的吸附功能，在鋰硫電池中得到了廣泛的應(yīng)用，在電池充放電的過(guò)程中，可以直接作為吸附劑來(lái)提升鋰硫電池的庫(kù)侖效率、初始放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性。雖然金屬氧化物具有很強(qiáng)的吸附能力，但由于金屬氧化物的表面積小而且分子量大，在充放電的過(guò)程中具有一小部分多硫化物產(chǎn)生吸附作用，使得電池的容量不高，循環(huán)性與穩(wěn)定性較差。因此，在鋰硫電池中采用多孔TiO2作為鋰硫電池中的碳/硫復(fù)合電極添加劑來(lái)增強(qiáng)電池的庫(kù)侖效率、初始放電容量與循環(huán)的穩(wěn)定性，多孔TiO2在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，與硫共同作用生成TiO2/S，與其他的金屬材料相比，TiO2同多孔碳的作用相似，多孔TiO2可以被高溫液化的液化硫填充滿(mǎn)，由于多孔TiO2具有很強(qiáng)的吸附能力，能夠有效的分散硫化物，形成的TiO2/S復(fù)合電極的放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性比較高。隨著技術(shù)的發(fā)展，在鋰硫電池中開(kāi)始采用介孔二氧化硅SBA-5或者納米Al2O3碳/硫復(fù)合材料的添加劑，可以有效的抑制二氧化硅結(jié)合的多硫化合物穿梭。

2.2氧化石墨烯、功能化石墨烯載體材料

石墨烯因結(jié)構(gòu)是單層碳原子構(gòu)成的二維材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力、超高的比表面積，在鋰硫電池中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)⒘蚧锍休d在具有較高表面積的石墨烯之間，在電池充放電的循環(huán)過(guò)程中，如果采用單純的物理限制無(wú)法有效的抑制多硫化物從片層的開(kāi)放處流失，因此，在對(duì)石墨烯內(nèi)的材料運(yùn)用到鋰硫電池主要采用是氧化石墨烯（GO），可以有效的包裹硫化物顆粒，在電池內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以有效的保證硫離子在導(dǎo)電過(guò)程中的傳輸，降低不同物質(zhì)之間的阻抗，能夠大幅度的提高電池正極的化學(xué)活性，優(yōu)化石墨烯的空間結(jié)構(gòu)。在化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，氧化石墨烯（GO）可以與羥基、環(huán)氧基、碳基及梭基含氧官能團(tuán)之間產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合力，進(jìn)而能夠還原部分GO，GO不僅對(duì)單質(zhì)硫具有一定的作用力，同時(shí)對(duì)化學(xué)反應(yīng)中生成的S3－與S32－具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附作用力，在反應(yīng)中形成C－S與S－O鍵的形式與GO鍵結(jié)合在一起，這樣硫只能吸附在GO官能團(tuán)的外部，由于官能團(tuán)羥基對(duì)于S32－的吸附能力極強(qiáng)，這對(duì)于提高整個(gè)化學(xué)反應(yīng)具有良好的作用。由于在充放電的過(guò)程中，產(chǎn)生的還原氧化石墨烯片可對(duì)硫發(fā)揮物理限制，同時(shí)還具有很強(qiáng)的化學(xué)吸附力，在二者的協(xié)同作用下，可以有效的提升活性硫材料的利用效率，增加鋰硫電池的效率。

2.3元素?fù)诫s載體材料

在鋰硫電池設(shè)計(jì)中，如果在本體電導(dǎo)率較低的金屬氧化物、有機(jī)高分子材料中添加其他的化學(xué)元素，可以增強(qiáng)鋰硫電池的化學(xué)作用吸附力，使得導(dǎo)電碳載體制備的復(fù)合硫電極具有良好的導(dǎo)電性能。在鋰硫電池中添加氮元素能夠提高碳基體的導(dǎo)電率與表面極性，增強(qiáng)了整個(gè)電池的導(dǎo)電性能，通過(guò)對(duì)N摻雜碳載體后，形成的含氧官能團(tuán)在高溫下能夠與硫元素形成S－O鍵，在N原子的強(qiáng)負(fù)電性的作用下，使得載體在常溫下也能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)與帶電的Li+結(jié)合形成N-Li鍵的狀態(tài)，可以有效的完成對(duì)電池中存在的多硫化物的吸附，碳載體在水熱反應(yīng)或高溫碳化中，容易形成含氧官能團(tuán)，如果在其中摻雜氮元素，可以增加溶液的活性，進(jìn)而能夠增強(qiáng)硫化物的化學(xué)吸附作用力，進(jìn)而能夠與硫及多硫化物產(chǎn)生S-O化學(xué)鍵力，提高電池本體的電導(dǎo)率。在電池中添加吡啶氮后，生成的強(qiáng)電負(fù)性的N原子能夠與Li+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N-Li鍵，增強(qiáng)了碳基體的表面吸附能力，這樣就能有效的增強(qiáng)碳基體表面對(duì)帶負(fù)電的聚硫離子Sn2－的化學(xué)結(jié)合作用力，通過(guò)以上對(duì)摻雜元素載體材料的化學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析，采用N摻雜碳材料能夠增加碳基體的表面吸附面積，可極為有效地穩(wěn)定硫電極，提升鋰硫電池的庫(kù)侖效率、初始放電容量與循環(huán)穩(wěn)定性。另外，在相關(guān)的應(yīng)用中，可以運(yùn)用碳納米管、石墨烯以及中空碳球類(lèi)的氮摻雜碳載體，也能夠有效的提升碳基體的表面吸附能力，性能穩(wěn)定，在高性能復(fù)合硫電極制備中的應(yīng)用也得到了廣泛的應(yīng)用，在電化學(xué)催化領(lǐng)域也可以采用摻雜雙元素材料來(lái)提高碳基體的表面吸附面積，以獲得更多的活化位點(diǎn)，增強(qiáng)硫反應(yīng)的化學(xué)結(jié)合力，通過(guò)摻雜不同的元素間可以形成協(xié)同催化的效果，提高鋰硫電池的穩(wěn)定性能。

2.4功能化的有機(jī)聚合物載體

聚苯胺（PANi）和聚丙烯肪（PAN）在鋰硫電池中常用的兩類(lèi)有機(jī)聚合物，它們可以與硫進(jìn)行反應(yīng)，生成共扼高分子材料，在鋰硫電池中用于電池的正極材料能夠有效的固定多硫化物，進(jìn)而能夠提高鋰硫電池的化學(xué)性能。高分子化合物因?yàn)橹谱鞅容^簡(jiǎn)單，而且機(jī)械性能良好，在鋰硫電池中經(jīng)過(guò)摻雜之后，能夠增強(qiáng)電池的導(dǎo)電性，通過(guò)化學(xué)聚合技術(shù)，將苯胺在硫的表面層上形成聚苯胺層，其P電子共扼結(jié)構(gòu)和氨基為電子的傳輸形成通道，并具有很強(qiáng)的吸附能力，能夠有效的減少硫化物的擴(kuò)散，在鋰硫電池中加入15%聚苯胺的S-PANi復(fù)合材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.2mA•cm-2電流密度下，可以將電池提供1134mAh•g-1的初始放電容量，對(duì)電池的性能有了明顯的提高，比未改性硫電極提高了82.42%，這樣通過(guò)將高分子化合物作為一種導(dǎo)電包覆層，在提高導(dǎo)電率的同時(shí)，增強(qiáng)了載體的化學(xué)結(jié)合力，提高了載體的吸附能力，還可以抑制多硫化物的擴(kuò)散。在充放電的過(guò)程中，硫元素在與高分子化學(xué)物共熱后，硫以S-S鍵與C-S鍵的形式存在于高分子化合物的雜環(huán)聚合物基體之中，在放電時(shí)S-S鍵與C-S鍵逐漸斷裂，并與Li+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Li2S，在充電的過(guò)程中，硫離子在高分子聚合物內(nèi)被捕獲在雜環(huán)結(jié)構(gòu)之內(nèi)。

2.5金屬有機(jī)骨架載體

這種材料載體充分的利用有機(jī)配體和無(wú)機(jī)金屬單質(zhì)混合在一起而形成的一種載體材料，在鋰硫電池中也得到了廣泛的應(yīng)用，在鋰硫電池中，存在大量的孤對(duì)電子的聚硫離子Sn2－混合物，它是一種路易斯堿性材料，容易與具有酸性材料的MOFs相互作用，就可以作為多硫化物的強(qiáng)化學(xué)性吸附的載體，而且MOFs具有高空隙率的特點(diǎn)，對(duì)多硫化物的吸附能力極強(qiáng)，可以通過(guò)物理作用與化學(xué)結(jié)合力的作用限制硫與多硫化物的流失。

3結(jié)束語(yǔ)

不同的載體材料對(duì)鋰硫電池中多硫化物的結(jié)合作用與吸附能夠提高電池的容量性能，提高復(fù)合硫/碳電極材料的庫(kù)侖效率，使得鋰硫電池的初始放電容量與循環(huán)的穩(wěn)定性，此外利用功能性的聚合物可以與硫單質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能夠有效的延遲鋰硫電池在放電過(guò)程中出現(xiàn)的“穿梭效應(yīng)”，提高鋰硫電池的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李宛飛，劉美男，王健，等.化學(xué)改性碳在鋰硫電池中的研究進(jìn)展[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2017，33（01）:165-182.

作者:孟凡英 許艷霞 孫震 單位:張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院