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长寿命、高比能、自修复锂硫二次电池
高效的储能系统是当代交通、能源工业、消费电子产业的核心支柱。化学电源能够高效存储基于可再生能源的富余电力，并为电动汽车等小型化、离散应用场合供应清洁能源，被看作是解决化石能源消耗和大气污染的有效途径而备受关注。锂电池自诞生以来，逐渐成为当今化学电源的核心，广泛用于人们的日常生活。然而经过数十年的发展，锂电池性能的进一步提高开始受限于传统的离子脱-嵌类电极材料，难以满足当今社会对于储能系统越来越高的要求。基于这一限制，新型二次电池的发展关键在于寻找潜在的、高容量的电极材料。
提高电极材料的容量本质上就是增加单位质量电极材料存储的锂离子个数。不同于离子脱-嵌类电极材料，高容量电极材料如正极硫、氧气，负极金属锂、硅等为了存储更多的锂离子，其分子结构、化学相态和聚集形态在电化学过程中发生了完全的变化和重组。这些分子重组、化学相变过程使得基于这些材料的化学电源难以可逆、高效、稳定地进行能量的存储和释放，表现在电池性能上则体现为容量衰减快、循环寿命短。为克服这两大难题，人们需提出简单、普适的策略以实现长寿命、高比能的二次锂电池。
自修复是自然界中一种普遍存在的特征，有助于生物系统保持生存、延长寿命。该特征对下一代二次电池系统也具有极大的启发。以锂硫电池为例，其正极材料硫具有很高的理论比容量（1672 mAh/g），且价格便宜、来源广泛、环境友好，可作为下一代二次电池的候选。但是硫在存储锂离子的过程中产生可溶性多硫化物中间产物，经历“固-液-固”的复杂相变过程。这些相变反应的失控会直接引发锂硫电池的容量下降与寿命缩短。理解并理性设计有效的自修复策略将有助于基于相变反应的高容量电极材料如硫、氧气、金属锂等在电池中的高效与持续利用。
近期，清华大学化工系张强（点击查看介绍）研究团队类比血管中的自愈过程——血栓溶解，从原理和方法上提出并验证了用于锂硫电池的修复剂——多硫化物。在生命体中，血小板和纤维蛋白等在受损血管处形成血栓，阻碍正常的血液流通，因此需要纤维蛋白溶酶使之降解，恢复血液循环系统的运行。类似的在锂硫电池中，原生的液相多硫化物在分布不均时不可逆地沉积为固相产物，阻碍正常的电子/离子导通，失去电化学活性。通过引入非原生的多硫化物，可溶解失活的固相产物，使之重新参与电池反应。与此同时调控多硫化物的空间分布，可实现均匀、稳定的“液-固”相变反应。非原生修复剂的引入，使商用的微米级硫颗粒稳定工作，在1.4 mg/cm2的硫负载下获得了长达7500圈的电池循环寿命。而在5.6 mg/cm2的高硫负载下，锂硫电池在2000圈循环内充分修复，无任何容量衰减（约3.7 mAh/cm2）。
类比血管中的自愈过程（血栓溶解），提出用于锂硫电池的修复剂——多硫化物获得长寿命、高比能、自修复锂硫二次电池。
该工作借助对复杂相变过程的认识，引入传统晶体形核-生长理论对“液-固”相变反应进行理性描述，考证了原生中间产物的空间分布对于固相终产物形态、分布和电化学行为的影响，他们指出这一设计有别于传统观点，原生多硫化物不仅在正负极之间穿梭，而且在正极内部分布不均匀，进而造成固相产物局部失活。通过模拟血栓溶解这一生物自愈过程，提出高效、可持续的修复剂需要具备（1）可再生性；（2）可调控相变反应；（3）可回收失活产物。在该思想的指导下，这一工作突破了修复剂在非原生多硫化物上的局限，将其扩展至其他的试剂如碘化锂等，完善了锂硫二次电池自修复的理论和方法。该自修复策略与锂硫电池正极骨架材料、负极和隔膜等进展相结合，将有望促进锂硫电池实用化的进一步发展。同时该自修复理论和方法对其他基于相变反应的高容量电极材料也具有潜在的重要价值。
该工作发表在Journal of the American Chemical Society 上，通讯作者为清华大学化工系的张强，第一作者为化工系的博士生彭翃杰。
该论文作者为：Peng HJ, Huang JQ, Liu XY, Cheng XB, Xu WT, Zhao CZ, Wei F, Zhang Q
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Healing High-Loading Sulfur Electrodes with Unprecedented Long Cycling Life: Spatial Heterogeneity Control.
J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.6b12358
导师介绍
张强
http://www.x-mol.com/university/faculty/21097