隨著可再生能源供應(yīng)的不斷上升，低碳化、電氣化已成為能源電力發(fā)展的重要趨勢。在這一大背景下，電動汽車、電動飛機期盼能實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。然而，由于缺乏具有穩(wěn)定“儲能”與“供電”能力的電源系統(tǒng)，這一愿望想要真正實現(xiàn)并不是一朝一夕的事情。

盡管鋰離子電池目前已經(jīng)被大規(guī)模商業(yè)化，然而鋰離子電池的實際性能已逐漸接近理論極限，成為能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的“瓶頸”。具有較高的理論能量密度、較低的電極材料成本，以及正極硫材料環(huán)境友好、資源豐富等優(yōu)點的鋰硫電池受到了廣泛的關(guān)注，其在電動汽車、無人機及便攜式電源領(lǐng)域有著廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，被認為是下一代最具發(fā)展前景的儲能技術(shù)之一。

前景是光明的，道路是曲折的。由于硫及其放電產(chǎn)物導(dǎo)電率低、多硫化物穿梭以及反應(yīng)動力學緩慢，導(dǎo)致硫的利用率低、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差。為了提高活性材料硫的利用率、改善鋰硫電池的電化學性能，近年來科研人員進行了大量的探索與研究，積極尋找著適合的硫宿主材料、黏合劑以及電解質(zhì)。

（來源：蘇州大學能源學院）

目前，這些領(lǐng)域的許多研究已經(jīng)取得了一些成果，但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負載量低、面容量低、電解液使用過量等問題，遠遠不能滿足實際應(yīng)用和商業(yè)化要求。已有相關(guān)研究表明，導(dǎo)致鋰硫電池能量密度不足、電池循環(huán)壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應(yīng)”。

多硫化物的“穿梭效應(yīng)”，即在鋰硫電池的放電過程中，硫的電化學還原是兩電子、多步驟的反應(yīng)，反應(yīng)生成多硫化物（Li2Sx）中間產(chǎn)物，可溶解于醚類電解液；若擴散至負極，則與鋰反應(yīng)生成不溶性的硫化鋰，鋰繼而被腐蝕并消耗活性物質(zhì)，造成容量的不可逆損失，從而降低電池的循環(huán)壽命。

而抑制“穿梭效應(yīng)”是鋰硫電池研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，其核心就是如何使其反應(yīng)中生成的長鏈多硫化物束縛在硫正極側(cè)，或從根本上抑制多硫化物的出現(xiàn)。雖然這在原理上是可行的，但還要進行進一步的探索研究。

日前，蘇州大學能源學院、我國科學院、北京大學的研究人員首次將高效電催化劑引入可打印墨汁中構(gòu)建3D打印硫正極，獲得了具有高倍率性能和面容量的鋰硫電池，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《納米能源》雜志。據(jù)稱，相關(guān)技術(shù)還可推廣到其他新興的儲能設(shè)備領(lǐng)域，為發(fā)展新型、高效、規(guī)?；碾姌O構(gòu)筑方法供應(yīng)重要借鑒。

基于3D打印技術(shù)構(gòu)筑高導(dǎo)電性硫正極

（來源：蘇州大學能源學院）

3D打印技術(shù)自誕生以來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、、航天、汽車、電子、機械、建筑等多個領(lǐng)域。同時，它在鋰離子電池、鋰氧電池、鋅電池等儲能系統(tǒng)中也得到了初步應(yīng)用。在長期關(guān)注并開展烯碳能源材料及應(yīng)用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，近年來該研究團隊從3D打印技術(shù)中找到了新的思路。

3D打印技術(shù)有助于構(gòu)建多級孔結(jié)構(gòu)的自支撐無集流體電極，并利于離子和電力的快速傳輸。他們指出，將3D打印技術(shù)這一優(yōu)勢運用到鋰硫電池中，通過控制打印層數(shù)實現(xiàn)控制電極材料的負載量，可突破常規(guī)涂覆法制備電極的厚度限制，從而獲得具有高單位面容量的電池系統(tǒng)；在實際應(yīng)用方面，3D打印技術(shù)還可滿足定制化和規(guī)?；瘍δ芷骷臉?gòu)筑需求。

研究人員利用3D打印技術(shù)，方便、高效、便捷地構(gòu)筑了高負載硫正極，該架構(gòu)具有經(jīng)過優(yōu)化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率，有利于對多硫化物進行高效管理。同時，為了更好地抑制“穿梭效應(yīng)”，研究人員設(shè)計了包含硫/碳和LaB6電催化劑的混合墨汁，用于打印高性能的硫正極。金屬性LaB6電催化劑可以均勻地分布在3D打印的架構(gòu)內(nèi)，自發(fā)地確保有豐富的活性位點用于多硫化物的固定和轉(zhuǎn)化，從而實現(xiàn)高效率的放電或充電過程。

基于3D打印構(gòu)筑硫正極的動力學表征

（來源：蘇州大學能源學院）

研究人員表示，這對多硫化物的管控起到了積極用途，能更加有效地抑制’穿梭效應(yīng)’，從而獲得具有優(yōu)異性能的鋰硫電池體系。同時，這也為設(shè)計鋰硫電池的正極結(jié)構(gòu)和提升硫正極的反應(yīng)動力學供應(yīng)了新的思路。

據(jù)悉，該研究團隊此前孵化的鋰硫電池的續(xù)航時間是同樣重量鋰離子電池的2.5倍，且目前已經(jīng)在大翼展無人機、高速無人機上試飛成功。然而面向能量存儲應(yīng)用領(lǐng)域的3D打印技術(shù)還存在許多關(guān)鍵“瓶頸”待突破，如電極的打印精度對設(shè)備配置提出了更高的要求，打印墨汁的制備工藝亟待系統(tǒng)探索，缺乏規(guī)?；∷⒀b備等。同時，在該技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化過程中，須開發(fā)3D打印自支撐結(jié)構(gòu)的硫正極，從而實現(xiàn)高載量硫電極的規(guī)?；苽洹?/p>

研究人員指出，要真正實現(xiàn)低碳乃至無碳、貧電解液、高載硫的鋰硫電池系統(tǒng)，還有許多問題要解決。例如，為了獲得高體積能量密度的鋰硫電池，要提高硫正極的密度，并采用少碳甚至無碳宿主；由于硫正極的多孔性導(dǎo)致要消耗大量電解液，因此要通過優(yōu)化正極的孔結(jié)構(gòu)，以降低電解液的用量；在規(guī)?；a(chǎn)鋰硫電池體系中，須采取抑制其枝晶生長的策略等，以保證鋰負極的安全性等等。