一、鋰硫電池簡(jiǎn)介

鋰硫電池的工作原理基于硫和Li+可以發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，兩者之間的電化學(xué)反應(yīng)式如下：

基于該反應(yīng)的硫正極的理論比容量高達(dá)1675mAh/g，是傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料的10 倍，同時(shí)硫儲(chǔ)量豐富、成本低，因此鋰硫電池受到了廣泛關(guān)注，然而硫及多硫化物本身性質(zhì)的缺陷，使得鋰硫電池仍存在很多問題。

首先，硫是絕緣體，導(dǎo)電性差，給電荷傳遞過程帶來困難；其次，多硫化鋰可以溶解在電解質(zhì)中，易遷移到金屬鋰一側(cè)被還原成不溶性Li2S沉積在金屬鋰電極表面發(fā)生“shuttle effet”現(xiàn)象；再次，可溶性多硫化鋰被完全還原成不溶性硫化物時(shí)，會(huì)阻礙電子和離子的有效傳輸；最后，單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化為不溶性硫化物后，由于兩種物質(zhì)密度的差異，會(huì)造成體積效應(yīng)，降低電極穩(wěn)定性。因此，鋰硫電池存在實(shí)際容量低、循環(huán)性能差和信率性能不佳等缺點(diǎn)。

圖1 （a）柔性石墨烯/硫復(fù)合材料的制備流程；（b、c、d、e）石墨烯/硫復(fù)合電極材料照片及柔性展示

該方法不僅能夠負(fù)載高比例的硫，而且硫的含量能夠在3.3~10.1mg/cm2范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，特別是負(fù)載量為10.1mg/cm2的電極，能夠獲得極高的比面積容量（13.4mAh/cm2）。

另外，考慮到石墨烯獨(dú)特的二維片狀納米結(jié)構(gòu)，采用以石墨烯納米片作為包裹材料，構(gòu)筑具有“核殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極材料也是固定多硫化物，緩解其溶解的重要方式。先在碳納米纖維表面均勻負(fù)載上硫，再使用石墨烯包覆在硫表面是一種很有效的方法。

圖2 具有同軸結(jié)構(gòu)石墨烯/S/碳納米纖維復(fù)合電極制備圖

2、石墨烯功能涂層在鋰硫電池中的應(yīng)用

為提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性,除了對(duì)硫正極材料的組成與結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控以抑制多硫化物的溶解，通過極片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來減弱“shuttleeffect”也是一條重要途徑。例如，在硫正極和隔膜間添加一層緩沖層能夠極大的提高鋰硫電池的壽命。

圖3 石墨烯隔膜涂層有效阻擋多硫化物遷移示意圖

石墨烯/硫/石墨烯-隔膜的創(chuàng)新極片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面將集流體由傳統(tǒng)的Al箔改為石墨烯；另一方面對(duì)隔膜進(jìn)行改性，改變了原有隔膜與硫正極直接接觸的方式，在隔膜表面涂布一層石墨烯材料。

采用傳統(tǒng)的極片結(jié)構(gòu)，在循環(huán)過程中多硫化物溶解在電解液后，會(huì)穿過隔膜進(jìn)入金屬Li一側(cè)，而在這一新穎結(jié)構(gòu)中，存在于隔膜與正極材料之間的石墨烯層能夠有效阻止多硫化物的遷移。另外，由于石墨烯材料優(yōu)異的力學(xué)性能，石墨烯改性隔膜能夠有效緩解硫正極在充放電過程中的體積變化，保持極片結(jié)構(gòu)的完整性。

綜述

電化學(xué)儲(chǔ)能在當(dāng)今人們的生產(chǎn)生活中占有重要地位，無論是可再生能源的大量存儲(chǔ)還是便攜式設(shè)備的高密度存儲(chǔ)，對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件和材料的成本、儲(chǔ)能密度、穩(wěn)定性等指標(biāo)都提出了較高的要求。

鋰硫電池由于其理論比容量、比能量高，原料價(jià)廉易得，在未來電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域中將極具競(jìng)爭(zhēng)力，如果通過石墨烯的應(yīng)用能夠改善鋰硫電池實(shí)際容量低、循環(huán)性能差和信率性能不佳等缺點(diǎn)，在不遠(yuǎn)的將來，鋰硫電池的表現(xiàn)可能會(huì)給我們帶來更多驚喜。