锂离子电池作为储能装置，也被称作“二次电池”。它主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜等4个部分组成。锂离子电池正极和负极材料同时浸润在电解液中，锂元素以离子状态，并以电解液为介质，在正负极之间来回运动，实现锂电池的充放电。同时，为了防止正负极间通过电解液接触而发生短路，使用特殊的隔膜材料将正负极分隔开。[1]在众多储能器件中，锂离子电池可提供最高的能量密度，且具有电压稳定、自放电小、寿命长和无记忆效应等优点，广泛应用于航空航天、便携设备、电动工具等方面。[2]
近年来，随着电动汽车、电子信息等产业的快速发展，全球锂离子电池需求量猛增，全球动力电池产业高速发展。其中，中国的动力电池产业发展尤为迅猛，涌现出了一批优秀的锂离子电池制造企业。2019年中国锂离子电池产量逐渐增长，全年锂离子电池产量为157.2亿只，同比增长4%。锂电池产业在未来5 ～10年会成为继汽车产业、信息产业、半导体产业之后新的万亿级产业，对我国的国防建设、航空航海、节能环保、新能源汽车、电子信息、智慧能源系统等领域的发展都具有重要的战略意义。[3]此外，当前能源问题关键环节为资源的可持续利用和碳排放，伴随着成本利益和生态保护的互相博弈和彼此协同。发展能源革命将为汽车变革提供强大动力，长期把持在欧美、日本等传统工业强国的汽车工业将面临重新技术布局和全新产业升级。动力电池是电动车结构的重要模块和关键技术，发展自主能源是应对能源挑战和新型产业变革的必然趋势和难得机遇。基于大战略布局考虑，我国陆续发布《中国制造2025》、《节能与新能源汽车技术路线图》等战略规划，其中电池能量密度、价格成本作为重要指标。[4]考虑到传统汽车用汽油高达12kWhkg-1能量密度和补充能源快捷性，常规 LIB（主要以磷酸铁锂为正极，理论比容量 170mAhkg-1，电压工作为 3.2 V）受制自身能量密度已难满足国家产业规划长远要求，特别是过去十年电池产业整体产量快速攀高，但是电池能量密度提升较慢，已经出现“量大质低”的局面和超过 157%的产能过剩，所以无论是国家层面还是用户体验，实现新能源汽车广泛应用和电池产业去产能的关键环节，应以扎根寻求高能量密度电池体系为主要内容。[5]
为了研究高效可靠的新型二次电池，研究人员尝试了各种不同的电池体系，包括锂空电池、锌空电池、钠电池和钾电池等，均取得了一定的研究进展。锂硫电池作为下一代二次电池的强有力候选者，得到了研究人员的广泛关注。锂硫电池主要以硫作为正极，金属锂作为对电极，通过外电路进行硫与锂的电子迁移，最终实现电能的转化。一般条件下，元素硫以八原子组成的环状结构存在，放电过程中，硫阴极由S8分子转化为中间产物多硫化物如S62-和S42-并进一步生成最终产物硫化锂，这一过程可以在充电过程中实现可逆反应。[6]理论计算下，锂硫电池最高可贡献1675mAhg-1的超高比容量，体积能量密度也高达2600WhL-1,远远超出传统锂电池。此外，硫是一种性能较为稳定的元素，它在地球上的储量巨大并且价格便宜，这使得锂硫电池有希望广泛应用于今后的能源存储及利用领域。与另一种替代性高性能可充电电池（锂-氧/空气电池）不同，锂硫电池为密闭系统，可避免暴露于大气之中造成污染环境以及潜在的爆炸危险。因此，锂硫电池具有广阔的研究前景。
传统锂电池的工作原理，主要是锂离子在正负两极间的嵌入及脱出。充电过程中，锂离子从正极表面产生，之后运动到负极嵌入其中并注入能量，放电过程中可以实现可逆。即在充放电过程中锂离子通过电解液运动到正负极两端发生反应，故而也被称之为“摇椅式”电池。锂硫电池的反应是一个多步多相化学反应过程，反应过程中存在一系列的多硫化物。因此，对锂硫电池的机理研究比较困难。早在1962年，锂硫电池的理论就被提出，但与之相关的研究却一直难有突破。人们一直未能寻找到合适的材料及方法来有效地提高锂硫电池的性能，较差的电池容量及其快速的容量衰减成为阻碍其机理研究的主要因素。最初，人们只是简单地利用硫与导电剂和粘结剂机械混合制作成正极，这种方法制作的锂硫电池只能获得导电性的提升，但是硫的电化学活性以及后续充放电过程中的穿梭效应等问题不能得到解决，难以表现出良好的电化学性能。2009年，Nazar等[7]制备了高度有序的纳米结构中孔碳材料并用作硫的载体，表现出了良好的电池性能，这一突破性的进展给锂硫电池的研究提供了良好的思路。介孔碳 CMK-3 具有良好的导电通道并且能够将硫纳米颗粒精准地限制在其中，使锂硫电池具有较高容量和稳定的循环，这也为后续的研究工作提供了极大的帮助。此后，研究人员加大了对锂硫电池的研究，大量的相关研究结果帮助人们更好的理解了锂硫电池的工作原理。
锂硫电池在具有比容量极高、储量大、安全无污染等优点的同时，也存在着导电性差、导电性差和体积膨胀的问题。为了解决锂硫体系的固有问题，研究人员尝试了各种方法和材料，包括碳材料、聚合物、无机物等。在硫正极的设计策略中，使用碳基复合材料作为硫的主体材料是最行之有效的方法。碳材料具有很强的可设计性，可以在孔径、表面积及分子结构等方面进行改良。此外，碳材料具有优异的导电能力可提升整个硫阴极的导电性、稳定的物理化学性质及丰富的孔结构可以很好的把硫束缚在孔道之中同时为硫的体积膨胀提供缓冲空间。从而有效地提升硫的反应活性，促进反应的进行并提高电池的循环稳定性。[8]][20多孔碳材料在锂硫电池中的性能与孔径相关。其中，微孔对多硫化物的束缚能力最强，吸附效果最好，可以较好的提升循环性能，但提供的孔体积较小，因而存储硫的含量偏低；大孔拥有较大的孔体积以供硫的存储，但对多硫化物的吸附能力有限；介孔碳的性质介于这二者之间。了解孔的特性有助于我们对材料的结构设计。此外，还可以对碳材料进行进一步的处理，与极性物质的复合能进一步增强对硫的吸附作用，提升电池的循环稳定性。
自2009年以来，设计高效的导电网络用于硫的负载是锂硫电池最主要的研究策略，而碳材料就是一种很好的选择。例如一维（1D）碳纳米管（CNT）/碳纳米纤维（CNF），二维（2D）石墨烯/碳纳米片，和三维（3D）多孔碳及其混合物，碳材料具有极高的可设计性，选择合适结构的碳材料能有效的提升硫阴极的电化学活性。碳材料本身具有优越的导电性，能够促进反应的顺利进行，较大的比表面积能为界面反应提供充足的场所，较大的孔体积有利于硫的负载，进而提升整个电池的能量密度，这是锂硫电池从科学研究走向实际应用必不可少的一环。此外，丰富的多孔结构使碳材料对多硫化物具有一定的物理吸附作用，能够增强锂硫电池的循环性能。设计高比表面积、大孔容的碳材料能够提高硫阴极的能量密度，增强导电性，有助于反应的完全进行，是锂硫电池最为有效的研究方案。[9]
结合近几年的研究成果，可将锂硫电池正极载体的研究情况分为以下几类：吸附型载硫材料、包覆型载硫材料、催化型载硫材料。吸附性载硫材料主要指具有巨大的比表面积、丰富孔径的介孔、微孔或者大孔有良好的吸附性的多孔材料。该类材料丰富的孔径分布使得熔融后的硫均匀分散在多孔材料的孔径内部或表面，在充放电过程中吸附多硫化锂而减缓穿梭效应。最常见的有多孔碳材料、金属有机骨架（MOFs）材料衍生的多孔复合材料和原子掺杂多孔碳载硫型复合材等。[10]
参考文献：
[1]张福斌;纯电动汽车动力电池的发展现状与研究进展[J];漳州职业技术学院学报;2020年
[2]成娟娟;锂硫电池多孔金属基正极材料的制备及电化学性能研究[D];湘潭大学;2015年
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