伍伦贡大学梁骥&昆士兰科技大学孙子其 AM 综述：非锂金属-硫二次电池

【成果简介】

日前，《Advanced Materials》发表了题为 “Non-Lithium Metal-Sulfur Batteries: Steps towards a Leap” 的综述文章，通讯作者为梁骥博士（澳大利亚伍伦贡大学）、孙子其副教授（澳大利亚昆士兰科技大学），共同第一作者为洪晓东副教授（辽宁工程技术大学）和梅俊（昆士兰科技大学）。

【图文简介】

图1. 二次电池的发展前景和阶段目标

背景：随着目前锂资源的日益消耗，非锂金属二次电池的开发迫在眉睫。各类非锂金属负极的应用可以有效降低成本并避免锂枝晶所带来的一系列问题。同时，廉价的硫正极材料具有理论容量高、安全性好的优势。因而，非锂金属-硫二次电池体系的开发对于新型储能器件的发展具有至关重要的作用。为了进一步提高现有锂电池的质量、体积能量密度，继锂离子电池后的新型电池体系开发至关重要，其发展目标如图1所示。此外，表1列举了各种不同金属/硫电池的理论能量密度，不难发现这些电池体系均能实现较高的质量/体积能量密度，尤其是镁/铝-硫电池体系的体积能量密度比锂硫电池更有优势。由此可见，根据不同应用的具体需求和侧重，目前开发新型电池的思路是寻找相应的非锂金属-硫电池体系以替代锂-硫电池体系，担负起后锂电池时代的重担。

表1. 不同金属-硫二次电池的理论能量密度

内容：依照各类实际应用的具体特征，有侧重的满足储能器件高安全性、高能量密度和低成本的研发需求，是目前设计各类储能器件的切实可行的有效手段。本论文总结了新型金属-硫二次电池体系，包括钠-硫（Na-S）、钾-硫（K-S）、镁-硫（Mg-S）、钙-硫（Ca-S）和铝-硫（Al-S）电池的原理、电极材料设计和最新研究进展（图2）。

图2. 非锂金属-硫二次电池体系的应用示意图

该综述论文共分为四部分，第一部分介绍了锂电池和锂硫电池的发展，阐述了非锂金属-硫电池研究的可行性的和必要性。第二部分详细介绍了Na-S电池体系，包括室温Na-S电池的原理、正极材料、电解液、功能隔膜和钠负极保护和设计。第三部分介绍了以钾、镁、钙和铝为负极的金属-硫电池，侧重讨论了不同电池体系的反应机理、正极材料设计和电解液的最新研究进展。最后，作者总结了非锂金属/硫正极电池面临的严峻挑战和可行的解决思路。这类新型电池体系目前存在的关键问题包括Na/K活性金属负极的潜在安全性、可靠性问题，以及Mg-S和Al-S电池的体系反应机理不成熟、多硫化物的穿梭效应、Mg-S和Al-S电池的离子转移和去溶剂化性能差、正极硫含量低等问题。针对不同问题，作者提出了不同新型电池的改进措施，为新型电池性能的进一步提升指明了可能的研究方向。

图3. 新型金属/硫二次电池性能的改进措施

意义：锂资源的短缺和价格上涨导致非锂金属二次电池的研发迫在眉睫，论文从新型非锂电池的反应原理、正极硫载体材料的选择、电解液组分确定和金属负极的设计等方面（图3）为新型非锂金属/硫电池的研发提供了理论指导，方便研究者更快、更准确地把握新型电池体系的研究方向。

文献链接：（Advanced Materials, 2018, https://doi.org/10.1002/adma.201802822）

本文由伍伦贡大学梁骥研究团队供稿，材料人编辑部编辑整理。

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