综述：抑制锂硫电池中“穿梭效应”的策略：表面/界面调控与体相优化

《Coordination Chemistry Reviews》：Strategies for inhibiting the ‘shuttle effect’ in lithium?sulfur batteries: surface/interface modulation and bulk phase optimization

锂硫电池因高能量密度潜力成为储能技术热点，但受限于多硫化物 shuttle效应。本文系统综述了阴极材料设计（如硫载体复合、催化材料集成）、隔膜功能化（表面涂层与梯度结构调控）及电解液创新（液态电解质结构调控与固态电解质复合），提出多尺度界面工程协同策略，有效抑制多硫化物迁移并提升电池循环稳定性。

　　锂硫电池因其显著的能量密度和具有竞争力的成本，被视为未来储能技术的重要发展方向。然而，其商业化进程却受到诸如容量衰减和循环稳定性不足等关键问题的制约，尤其是由“穿梭效应”引发的性能挑战。本文综述了当前针对锂硫电池中“穿梭效应”的研究进展，系统分析了通过调控电极材料、隔膜以及电解液三者之间的相互作用，来抑制多硫化物迁移的多种策略。研究重点涵盖了物理方法、化学键合以及催化反应机制等手段，旨在为提升锂硫电池的性能提供理论依据和实践指导。

在电极材料设计方面，研究人员主要致力于开发复合硫宿主、催化材料以及多功能粘结剂等，以增强多硫化物的锚定能力和反应动力学。这些材料的创新设计有助于有效限制多硫化物的溶解和迁移，从而提高电池的整体性能。例如，通过构建多孔碳复合框架，可以在物理上限制多硫化物的扩散，同时引入金属纳米颗粒、聚合物添加剂和金属氧化物等化学成分，以增强多硫化物的吸附作用。此外，高效的催化材料能够促进溶解的多硫化物中间体快速转化为不溶性的锂硫化物，从而减少其在电解液中的停留时间，降低其扩散的可能性。多功能聚合物粘结剂则通过静电排斥和化学键合机制，进一步稳定电极结构，抑制“穿梭效应”的发生。

隔膜材料的设计与优化同样对锂硫电池的性能提升至关重要。隔膜作为电池中隔离正负极的关键部件，其功能化修饰和结构调控能够有效抑制多硫化物的迁移。目前，研究主要集中在两个方向：表面功能化涂层和隔膜本体结构的优化。通过在隔膜表面引入高吸附性的功能材料，如多孔碳、共价有机框架（COFs）、金属氧化物或氮化物等，可以构建物理屏障，限制多硫化物的扩散。同时，这些材料还能通过化学键合作用，进一步固定多硫化物，减少其在电极之间的穿梭。另一方面，隔膜本体结构的优化，如设计梯度电荷分布层或分层结构，可以实现对多硫化物的梯度吸附，并在隔膜内部促进其催化转化。这种结合物理和化学调控的策略，不仅提升了隔膜的阻隔性能，还增强了其对多硫化物的处理能力。

电解液系统的创新则是解决“穿梭效应”的另一重要途径。电解液作为锂离子传输的介质，其组成和结构对多硫化物的溶解和迁移具有显著影响。在液态电解液中，研究人员通过调节溶剂化结构，例如引入高浓度锂盐、氟醚共溶剂和氧化还原介质，来抑制多硫化物的溶解。这些措施能够改变多硫化物在电解液中的行为，减少其在电极间的迁移。对于准固态电解液，通过优化聚合物基质、选择合适的锂盐以及添加无机成分，可以增强其对多硫化物的锁住能力，从而提高电池的循环稳定性。无机陶瓷固态电解液则主要依赖其致密的结构，形成物理屏障，防止多硫化物的扩散。此外，有机-无机复合固态电解液因其结合了有机电解液的离子传输特性和无机材料的机械稳定性，展现出良好的应用前景。这些电解液系统的优化策略，不仅提高了锂硫电池的性能，还为实现更安全、更稳定的电池系统提供了可能。

除了上述三个方面的策略，针对锂负极的优化也逐渐成为研究的热点。锂负极在锂硫电池中扮演着至关重要的角色，其表面的多硫化物沉积不仅会引发容量衰减，还可能导致锂枝晶的形成，进一步影响电池的安全性和寿命。因此，研究人员开始探索多种策略，如表面修饰、电解液添加剂以及结构设计等，以减少多硫化物在锂负极表面的沉积，并抑制其与锂金属之间的副反应。这些措施能够有效改善锂负极的稳定性，提高电池的整体循环性能。

综上所述，锂硫电池在能量密度和成本方面具有显著优势，但其实际应用仍面临诸多挑战，尤其是“穿梭效应”所带来的容量衰减和循环稳定性问题。通过电极材料、隔膜和电解液的协同优化，研究人员已经取得了重要的进展。这些策略不仅提升了锂硫电池的性能，还为未来高能量密度储能技术的发展奠定了基础。随着材料科学和电池工程的不断进步，锂硫电池有望成为满足未来能源需求的重要技术之一。