隨著電動汽車、便攜式電子設(shè)備和家用儲能電源的蓬勃發(fā)展，迫切需要開發(fā)高比能量二次電池體系。鋰硫電池由于具有高達(dá)2600Wh/kg的理論質(zhì)量比能量而成為目前該領(lǐng)域的研究前沿與熱點。

最近，在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的大力支持下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點實驗室研究員郭玉國課題組科研人員在金屬鋰負(fù)極與硫正極相關(guān)基礎(chǔ)研究，及鋰硫軟包電池工程技術(shù)研發(fā)方面取得系列進(jìn)展（J.Am.Chem.Soc.,2012,134,18510；Angew.Chem.Int.Ed.,2013,52,13186J.Am.Chem.Soc.,2015,137,2215Nat.Commun.,2015,6:8058,doi:10.1038/ncomms9058）。

該課題組研究人員長期致力于高效、穩(wěn)定的高比能鋰硫電池材料研究。前期研究工作中，他們針對鋰硫電池中常規(guī)環(huán)狀S8分子正極材料充放電過程中形成易溶性多硫離子，造成硫正極的循環(huán)性能極差的問題，從硫分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，提出通過構(gòu)筑鏈狀小硫分子從根本上解決這一多硫離子溶出難題的新思想，并通過納米孔道的空間限域效應(yīng)實現(xiàn)了非常規(guī)、亞穩(wěn)態(tài)小硫分子的篩選和穩(wěn)定化，制備出比容量高、倍率性能優(yōu)良、循環(huán)性能優(yōu)異的硫碳正極材料(J.Am.Chem.Soc.,2012,134,18510)。近期，他們在空間限域鏈狀硫分子的電化學(xué)鋰化/去鋰化反應(yīng)機理研究方面又取得新進(jìn)展，研究結(jié)果發(fā)表在近期的J.Am.Chem.Soc.（2015,137,22152218）雜志上。

他們將一維的鏈狀硫分子限制在碳納米管中，成功制得了研究鏈狀硫分子電化學(xué)性能的模型體系。通過系統(tǒng)深入的原位和半原位研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管限域的鏈狀硫經(jīng)歷一種新奇的電化學(xué)反應(yīng)過程，硫鏈在反應(yīng)中縮短，電化學(xué)性能自發(fā)優(yōu)化，而且反應(yīng)接近于固相反應(yīng)，從而有效避免了硫正極中間產(chǎn)物的溶出問題（圖1）。在揭示了其循環(huán)穩(wěn)定的內(nèi)在機制的基礎(chǔ)上，他們提出利用雙功能核-殼結(jié)構(gòu)介-微孔碳載體用于高效、穩(wěn)定的高容量硫碳復(fù)合正極材料的理性設(shè)計方案。通過這一方案，既提高了硫的裝載量，又有效限制了多硫化物的溶出，實現(xiàn)了可放大制備的硫正極材料技術(shù)解決方案。

除了硫正極外，金屬鋰負(fù)極也是鋰硫電池能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵。針對充放電過程中金屬鋰負(fù)極的不均勻溶解和沉積（即枝晶）問題，他們提出利用三維納米銅集流體來引導(dǎo)金屬鋰在三維電極內(nèi)部的均勻沉積與溶解的思想，成功實現(xiàn)了負(fù)極表面金屬鋰枝晶的控制。相關(guān)結(jié)果近日發(fā)表在Nat.Commun.（2015,6,8058）雜志上。

研究表明，當(dāng)采用具有亞微米骨架、高比表面積的三維銅箔用于金屬鋰的沉積時，鋰負(fù)極主要沉積在三維銅箔的孔道內(nèi)（gt98%），電極表面鋰枝晶的生長得到了有效抑制（圖2）。相比于平整銅集流體上的鋰負(fù)極，限制在三維納米銅集流體中的金屬鋰負(fù)極可連續(xù)工作好幾百小時以上而不短路，鋰的沉積效率大幅提高；電池的壽命、穩(wěn)定性和安全性也得到了顯著提升。這一發(fā)現(xiàn)揭示了鋰負(fù)極集流體的作用，對設(shè)計實用的金屬鋰負(fù)極具有重要的指導(dǎo)意義。

在上述基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上，研究人員還著力于鋰硫電池工程技術(shù)研發(fā)。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項變革性納米制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)聚焦項目長續(xù)航動力電池的支持下，在化學(xué)所建立了鋰硫軟包電池組裝線，鋰硫軟包電池的各項性能指標(biāo)均取得了重要進(jìn)展。目前可批量制備單體容量為0.5-30Ah的不同規(guī)格鋰硫軟包電池，其能量密度可達(dá)350-450Wh/kg，循環(huán)次數(shù)大于50次。相關(guān)鋰硫軟包電池已于9月3日至5日在北京召開的第六屆中國國際納米科學(xué)技術(shù)會議（ChinaNANO2015）上展出（圖3）。