综述！锂硫电池阴极和夹层碳材料的最新进展

1成果简介

锂硫电池（LSBs）因其高理论比容量（1675 mAh g⁻¹）、高能量密度（2600 Wh kg⁻¹）及轻量化特性，正作为新一代储能系统受到广泛关注。尽管具备这些优势，实际应用仍面临诸多挑战：硫和硫化锂的低电导率，以及多硫化锂（LiPS）的穿梭效应导致容量衰减迅速。碳材料凭借卓越的电导率、高孔隙率及优异的物理化学稳定性，成为解决这些问题的有力候选方案。此外，通过掺杂非金属元素或引入金属元素利用其巨大比表面积，可进一步提升碳材料性能。此类改性增强了LiPSs的化学吸附能力，并提高了电化学反应的催化活性，从而显著提升锂硫电池的整体性能。

本文，韩国科学技术院Jae W. Lee等研究人员在《Smalls structures》期刊发表名为“Recent Advances in Carbon Materials for Cathodes and Interlayers in Lithium–Sulfur Batteries”的综述，研究根据碳材料的维度结构——零维、一维、二维和三维——系统梳理了该领域的最新进展。该分类体系揭示了不同维度材料在比表面积、孔隙结构、电子/离子传输特性及活性位点可及性等结构依赖性特征上的差异，为评估其作为硫宿主与层间介质的作用提供了比较依据，并为锂硫电池高性能碳材料的理性设计提供了理论指引。

2图文导读

自工业革命以来，工业的快速发展导致全球能源消耗大幅增加[1]。为满足不断增长的能源需求，对化石燃料的依赖显著加剧[2]，尤其在交通运输领域，其广泛使用已成为全球变暖和气候变化的主要推手[3]。面对这些挑战，锂离子电池（LIB）凭借其高工作电压、优异的循环稳定性和低自放电率，在过去数十年间主导了储能市场[4-6]。电动汽车等领域的电气化进程，以及可再生能源的日益普及，正推动着高性能储能系统需求。尽管具备诸多优势，锂离子电池仍受限于其相对较低的能量密度——通常在100至220 Wh kg⁻¹之间，部分先进系统可达350 Wh kg⁻¹。这为满足现代应用日益增长的能源需求设置了重大障碍。因此，大量研究致力于开发新一代电池技术，通过新型电极材料和创新系统设计实现更高能量密度、更长循环寿命及更优长期稳定性。

图1、(a) Schematic of a Li–S battery. (b) Charging and discharging voltage profile of a Li–S battery.

2.1 零维碳基复合材料在锂硫电池中的应用

零维碳材料凭借其高比表面积和可调谐的表面功能性，展现出优异的电化学稳定性和机械强度，是储能应用的理想候选材料。典型代表包括富勒烯和碳量子点（CQDs），它们能有效限制锂硫聚合物（LiPSs）的扩散，同时提供额外的导电/催化位点以促进电子传输。这类零维碳结构通常通过前驱体或模板辅助法合成，随后经受控处理以获得理想形态和孔隙率。

2.2 与催化元件集成的1D碳结构

一维碳纳米结构（如碳纳米管和碳纳米纤维）因其线性形态在锂硫电池中展现出巨大潜力，这种形态能提供连续的电子通路和结构稳健性[102]。这些特性使其能有效整合硫及其他活性材料，适用于构建导电网络和柔性电极框架。其中，一维碳结构的高长径比与机械柔韧性尤其有助于形成互连导电网络，可适应充放电过程中的体积变化。此外，其可调表面化学性质支持接枝极性官能团或金属化合物，从而增强与硫磺聚合物（LiPSs）的化学作用并抑制其扩散。这些综合优势共同提升了锂硫电池系统的硫利用率、延长了循环寿命，并增强了倍率性能。

2.3 用于先进锂硫电池设计的2D分级碳材料功能化

二维材料因其高比表面积、优异导电性及丰富的表面官能团，在锂硫电池应用领域备受瞩目。其强韧的力学性能可缓解硫的体积膨胀，从而防止电极粉化，同时提升硫利用率与循环稳定性。此外，二维材料固有的堆叠、交联或自组装特性，使其能形成多孔互连结构，促进离子与电子的高效传输。凭借巨大的横向比表面积、可调的层间距及高密度的催化位点，二维材料不仅是高效的硫宿主材料，更可作为极具前景的隔膜或隔离层组。

2.4 用于先进锂硫电池设计的3D分级碳基功能化材料

基于其独特的结构优势，三维碳基材料——包括多孔碳骨架和金属有机框架（MOF）衍生的结构——在锂硫电池研究中备受关注。这类材料具有互连网络结构、大比表面积和分级多孔性等特征，共同构筑了高效的电子/离子传输通道、丰富的活性位点及充足的硫容纳空间。尤为重要的是，其空间延展性框架能缓解循环过程中的体积膨胀，促进硫均匀分布，使其特别适用于高负载长寿命锂硫电池。此外，三维碳材料的结构可塑性使其能同时承担硫宿主与夹层的多功能角色，常通过协同作用将物理限制与化学吸附或催化功能相结合。下文将重点探讨可调孔结构多孔碳框架的设计进展，以及针对锂硫电池应用定制的MOF衍生物碳杂化材料的最新研究成果。

3小结与展望

近年来，面向锂硫电池的维度碳基材料研发取得显著进展，各类创新成果有效提升了硫的利用率、容量保持率及循环稳定性。从零维复合材料到三维结构的碳基材料展现出多样化的电化学功能，基于维度的分类体系为理解锂硫体系的结构-功能关系提供了系统框架，并能识别出特定维度的优化策略。不同形态各具优势：0D材料凭借高比表面积和可调活性位点增强催化性能，常通过分子级相互作用促进硫化锂的强化学吸附，并利用内部空腔实现物理限制以有效抑制穿梭效应； 一维结构形成连续电子通路与机械柔性，通过构建高效电子高速公路网络，在柔性导电框架中展现卓越倍率性能并适应硫体积膨胀，其特性有别于二维材料的平面传输模式； 二维结构确保快速电荷转移与可调表面化学，在平面导电性方面表现卓越，并通过狭窄层间距实现硫化物的物理扩散阻隔，形成三维材料通常缺乏的优越物理屏障； 而三维结构支持硫容纳与稳健网络形成，独特地提供三维多向传输路径和分级孔隙结构，这对实现超高硫负载量和结构稳定性至关重要，可有效解决商用硫化锂电池能量密度低的问题。由于单一维度结构并无绝对优势，基于应用需求选择或整合碳结构对实现高性能硫化锂电池至关重要。

展望未来，若干新兴方向有望进一步提升碳基电极在锂硫体系中的性能。首先，自组装碳（SAC）与缺陷工程在增强硫氧化还原反应方面前景广阔。通过将金属原子或杂原子精确嵌入碳骨架，可在维持碳基体稳定性的同时加速锂硫化物转化。

另一重要方向在于优化碳材料与电解液的界面特性。尽管高导电性、高孔隙率及催化功能的碳结构已被广泛探索，但碳-电解液界面的性质仍是影响多硫化物扩散、离子传输及整体氧化还原动力学的关键因素。通过改善碳-电解质界面的润湿性、表面化学性质及电子相互作用，可促进硫的氧化还原活性并抑制非预期副反应。此外，合理设计碳表面以确保电解质均匀渗透和稳定的固电解质界面，对于在高负载量和稀电解质条件下维持长期稳定性至关重要。

与此同时，固态锂硫电池的快速崛起为碳-电解质界面带来新挑战与机遇。实现固态电解质与活性材料间的有效物理化学接触，对离子跨越刚性边界至关重要。碳材料凭借可调谐的表面功能性和机械适应性，可在降低界面电阻、促进固-固界面离子扩散方面发挥关键作用。引入柔性贴合碳结构（如柔性多孔网络或可压缩夹层）可缓冲界面应力、适应体积变化并维持连续导电路径。针对固态体系专门设计的碳材料，对释放新一代安全高能量密度锂硫电池的全部潜力至关重要。

此外，融合不同碳材料或将其与金属纳米粒子、导电聚合物等功能组件结合的混合结构，可产生协同效应，进一步提升锂硫电池的电化学性能。这类混合结构不仅能增强催化活性，还能加速离子传输并改善多硫化物保留能力。

尽管取得这些进展，在性能、成本与可持续性之间取得平衡仍面临多重挑战。未来锂硫电池研究必须超越实验室层面的性能指标，聚焦于实际应用的关键指标，例如工艺复杂度和环境友好性。部分合成工艺与材料的高成本（如特定金属催化剂和复杂模板）可能阻碍大规模生产。具体而言，尽管MOF衍生的碳材料、MXene和GDY等高性能材料具有卓越的电化学性能，但因采用高成本前驱体和复杂合成路线，其商业化仍面临重大障碍。此外，需优化这些材料的长期循环稳定性和可扩展性，以满足商用锂硫电池的需求。未来研究应聚焦于开发兼具成本效益与可扩展性的合成方法及材料，在保持高电化学性能的同时确保环境可持续性，从而推动锂硫电池成功商业化。

要实现高性能锂硫电池，优化电池设计至关重要，其中正极碳材料特性是核心环节。机器学习（ML）技术能预测和优化复杂材料特性，有望显著提升锂硫电池设计中碳材料的筛选与优化效率。通过映射异原子掺杂等改性措施对碳材料维度的影响，ML可推荐定制化优化策略以实现卓越性能[187, 188]。事实上，众多研究正积极推进基于机器学习的数据库建设，将电池设计参数与性能建立关联，例如通过机器学习辅助合成适用于锂硫电池设计的理想金属有机框架材料。随着锂硫电池结构与构成材料的复杂性持续提升，机器学习在电池设计中的重要性也将相应增强。

综上所述，尽管维度碳材料在解决锂硫电池诸多挑战方面展现出巨大潜力，但要实现下一代高性能、经济高效且可持续的储能解决方案，材料设计、合成技术及实际应用层面的持续创新仍至关重要。

文献：

https://doi.org/10.1002/sstr.202500639

来源：材料分析与应用