解决锂硫电池Shuttle效应的SEI膜优化方案

金属锂在锂硫电池中作负极，充当锂源。锂金属是自然界中相对原子质量（6.941）最低、密度（0.53 g/cm3） 最小、理论比容量（3 861 mAh/g）最高的负极材料。采用金属锂作负极材料也是锂硫电池具有高能量密度的原因之一。但是，锂金属负极材料的应用受到了以下两方面的限制： 一方面，由于金属锂具有较高的化学活性，会与不同的电解液溶剂发生化学反应，生成一层表面膜（SEI），这层膜由不同的锂的化合物（如LiOH，Li2 O，Li2 CO3 等）组成，而膜的多相性会导致电流在锂表面分布不均匀，从而导致锂枝晶在锂表面生长，且在放电过程中，锂枝晶会被破坏，导致死锂的产生，这样使锂电极的循环效率较低；另一方面，锂枝晶还会导致电路微短路，不均匀的电流分布还会使锂电极边缘局部电流急剧增大而导致局部过热甚至爆炸，引发安全问题。所以，理想的SEI 膜必须稳定且均匀平滑，以减少非活性锂枝晶的生长。

解决上述问题的最根本的方法就是对锂电极进行保护，相关的研究很多，主要有两种方法。其中最常见、最方便的方法是添加电解液添加剂，以在锂电极的表面形成一层均匀稳定的保护膜。例如添加HF 酸能改变锂电极表面SEI 膜的成分，形成一层由Li2 O，LiOH，Li2 CO3 和LiF 组成的SEI膜；另一种保护锂电极的方法就是对锂负极进行预处理，在锂表面形成一层预处理层。

按物质种类，电解液添加剂可分为：①无机添加剂，如H2 O，HF，LiNO3等；②有机小分子添加剂，如2-甲基噻吩、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、三乙酰氧基乙烯基硅烷（VS）、乙烯亚硫酸酯（ES）、十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）等；③有机聚合物添加剂，如聚氧化乙烯（PEO）、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）、聚乙二醇二甲基醚（PEGDME）、二甲基硅树脂环氧丙烷共聚物（SiPPO）等。

对锂负极进行预处理的方式主要有：①利用干燥的CO2，N2，SO2 等气体与表面的锂进行化学反应，形成一层无机锂盐膜；②通过光聚合在金属锂负极表面包覆一层聚合物膜；③通过溅射的方法，在锂表面形成一层预处理层LiPON 和Li3 N 等具有高锂离子电导率的材料；④用有机溶剂如1，3-二氧戊环、氯硅烷、四氢呋喃（THF）等对金属锂电极进行预处理，形成钝化层。(www.xing528.com)

对锂保护的研究虽然很多，但大多是对锂一次电池和其他锂二次电池体系的研究，针对锂硫电池的研究并不多。在其他电池体系中，对锂电极的保护能有效地改善电池的循环性能，但由于锂硫电池与其他电池体系的充放电过程不一样，除了存在金属锂的沉积问题，还存在电池的Shuttle 效应，把这些方法用到锂硫体系可能会出现不一样的效果。在本章中，我们借鉴前人的一些对锂保护的方法，将这些方法用到锂硫电池体系中，希望以此来提高锂硫电池的库仑效率和循环性能。