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鋰硫（Li-S）電池因其高達2600 Wh kg^-1的超高理論能量密度而被認為是最有前途的下一代儲能系統之一。然而，鋰金屬負極在循環過程中會發生劇烈的體積變化、多硫化物電解液的持續腐蝕和枝晶形成，導致循環壽命有限。考慮到鋰金屬負極是一把雙刃劍，有助于超高能量密度但會造成有限的循環壽命，有必要評估鋰基合金作為負極材料以替代鋰金屬用于高性能Li-S電池。

北京理工大學黃佳琦、袁洪等系統地評估了使用鋰金屬或鋰基合金構建實際能量密度為500 Wh kg^-1的Li-S電池的潛力和可行性。

圖1 不同負極材料的Li-S電池在一級評價時的理論能量密度

在此作者提出了一種三級定量分析方法，通過考慮目標能量密度500 Wh kg^-1所需的電解液量，逐步篩選負極材料。在第一級，只考慮活性材料的重量，電極比容量設為理論值。在第二級，電解液被視為關鍵標準，電極比容量設置為實驗報告值。

在第三級，能量密度是基于Li-S軟包電池的所有組件（包括集流體和封裝）計算的。按照上述方法，這里考慮了十種負極材料，除了鋰金屬外，只有Li-Mg合金證明了實現 500 Wh kg-1 Li-S軟包電池的可行性。

圖2 評估達到500 Wh kg^-1能量密度目標所需的電解液量

在此基礎上，作者討論了近年來Li-Mg及其它鋰基合金的研究進展，并展望了其發展前景。盡管單獨使用其他鋰基負極材料并不能實現高能量密度，但它們與鋰金屬的組合來制造復合負極對于解決鋰金屬負極的挑戰是可行的。

目前，在Li-S電池中使用合金負極材料替代鋰金屬負極的研究已有多項。相信先進鋰基負極的開發將為實現長循環500 Wh kg-1 Li-S電池及以上做出重大貢獻。

圖3 在第三個評估級別的實用Li-S軟包電池的能量密度

Anode Material Options Toward 500 Wh kg?1 Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103910

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北理黃佳琦/袁洪Adv. Sci.：500 Wh/kg鋰硫電池的負極材料選擇

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