三明治结构，层层夹心，给锂硫电池一个清新好味道！

“小身体，大能量”，这是电池储能材料领域一直以来的研究热点以及期望达到的目标。如果我们拥有这样一款材料神器，极限便携超小电池将不再是伪命题。

小体积迸发大能量，超薄超小高体积能量密度电池除了在电动车、消费电子设备等与生活息息相关领域带来突破性作用，其在海洋深潜探测器、无人飞行器、太空站等极端环境和有限空间内储能设备的使用中也将起到不可替代的作用。

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锂硫电池，是锂电池的一种。它以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极。锂硫电池被认为是最有发展前景的下一代高容量储能体系之一，其能量密度高达 2600 Whkg^-1，是传统商业化锂离子电池的五倍多。锂硫电池的出现为高能量密度储能器件的发展提供了机遇。

但是，目前锂硫电池仍存在一些问题。从器件层面上分析，锂硫电池的能量密度，特别是体积能量密度还远低于预期。而高载硫量、致密化复合电极设计是解决这一问题的关键。因此，从材料设计的角度出发，实现材料致密化、电极厚密化和器件轻薄化，是未来锂硫电池实现高体积能量密度储能的原则。

为实现锂硫电池“更轻”、“更薄”的目标，科研人员对锂硫电池致密储能开展了研究。日前，中科院福建物质结构研究所王瑞虎研究团队就在这方面取得了新的成果。

科研人员提出一种“三明治结构硫正极”，设计得到高体积能量密度的锂硫电池正极材料，从而让锂硫电池体积可以变得更小。这种材料是三明治的结构，材料中包括负载硫化钒的还原氧化石墨烯和高载量的硫，它们层层交错叠在一起，形成高体积能量密度的电极材料。下面这个图，就是电池正极材料的制备过程示意图。

三明治结构 rGO-VS₂/S 正极材料的制备示意图

 

这种材料可以让电池——

制备更简单：

氧化石墨烯和偏钒酸钠在氢氧化钠存在的条件下，通过简单温和的水热反应就可将硫化钒负载在还原氧化石墨烯片的表面，然后 rGO-VS₂ 与硫单质在155度条件下热熔融复合得到高载硫量的 rGO-VS₂/S 正极材料。

材料更高效：

由于硫化钒具有高的极性、导电性和电催化活性，少量硫化钒负载在石墨烯片上就能有效地抑制多硫化物的穿梭效应，促进整个硫单质层的氧化还原反应，从而提升活性物质硫的利用率和循环稳定性。

体积更小：

rGO-VS2片层与硫单质层交替紧密堆积形成具有高振实密度的三明治结构rGO-VS2/S正极材料，这种振实密度高的正极材料让电池的体积更小， 适用于对电池体积要求严格、续航时间需求长的储能器件。

总之，rGO-VS₂/S 正极材料具有较高的振实密度，实现了材料致密化；而材料致密化进一步使得电极厚密化；同时由于电极厚密化，从而使得器件的制备更加轻薄化。

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高振实密度的三明治结构 rGO-VS₂/S 复合正极材料能贡献出极高的体积比容量，从而大幅度提高电池的体积能量密度。这种三明治结构理念为小体积、高容量储能器件提供了有效设计策略，对新型高体积容量储能器件的发展具有重要意义。

锂硫电池作为清洁新能源，其基础研究和规模化制备应用都在积极的推进中，也许在不久的将来，它能够应对能源危机，减轻环境污染，促进社会可持续发展。

来源：中国科学院福建物质结构研究所