鋰硒電池正極材料設計

莊林

武漢大學化學與分子科學學院，武漢 430072

隨著移動電子設備和新能源汽車的飛速發(fā)展，可充電池技術越來越受到重視。而目前應用最為廣泛的鋰離子電池，其能量密度仍然較低(～200 Wh·kg-1)，且安全性較差。開發(fā)新型電池體系及電極材料越來越受到關注。

鋰硒電池作為一種高體積能量密度的新型電池體系，成為近年來研究的熱點。鋰硒電池具有高達3253 mAh·cm-3理論體積比容量1，并且硒(1 ×10-3S·m-1)的電子電導率遠高于硫(5 × 10-28S·m-1)。鋰硒電池在體積受限的領域(如手機、電動汽車等)中具有潛在應用價值。

雖然鋰硒電池有較高的體積能量密度，但其循環(huán)壽命和目前商業(yè)化的鋰離子電池相比還相差甚遠。這主要是由于鋰硒電池在充放電循環(huán)過程中存在著類似鋰硫電池的穿梭效應2，即在充放電過程中，溶解在電解液中的高聚硒化物會穿過隔膜擴散到鋰負極，與金屬鋰發(fā)生副反應。這種穿梭效應導致了鋰硒電池較快的容量衰減，較差的循環(huán)性能和較低的庫侖效率3。如何設計鋰硒電池正極材料來抑制這種穿梭效應是該領域的研究熱點。

此外，鋰硒電池對于不同的電解液表現(xiàn)出不同的反應機理。在醚基電解液中，鋰硒電池的鋰化/脫鋰過程與鋰硫電池中的逐步反應機制幾乎相同，多硒化物也可溶于醚類電解液4。而在碳酸鹽基電解液中，放電期間硒直接被還原為硒化鋰，可有效抑制穿梭效應5。

鋰硒電池的另外一個問題就是鋰離子在硒正極中的擴散速率較低，導致了硒正極的利用率不高，倍率性能較差。眾所周知6,7，電極材料中的鋰離子擴散時間(T)由其擴散路徑長度(L)和擴散系數(shù)(D)決定(T = L2/D)。在擴散系數(shù)很難大幅度提高的情況下，要縮短擴散時間，最好的方法就是縮短擴散長度。這意味著可以通過減小材料尺寸來縮短鋰離子的擴散時間，從而提高其反應活性和動力學。

針對以上問題，許多研究小組近幾年在設計新型納米結構硒正極，選擇適配電解液和抑制穿梭效應方面做了諸多嘗試，取得了顯著進展，有效提高了鋰硒電池的循環(huán)壽命和倍率性能。鑒于此研究領域的重要性，復旦大學材料科學系周永寧教授等人針對鋰硒電池正極材料的研究現(xiàn)狀和進展進行了綜述。

該工作已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201806062)8。該綜述討論了鋰硒電池的優(yōu)勢和存在的問題，著重介紹了硒-碳復合正極材料的研究進展，從一維、二維和三維結構的角度，分析了硒基正極材料結構和性能之間的關系，最后深入探討了鋰硒電池的反應機理及其與電解液的相關性，并展望了鋰硒電池的未來發(fā)展方向。該工作對于該研究領域未來的研究方向具有重要的啟發(fā)意義。