鋰-硫電池是近年新發(fā)展起來(lái)的一種新型的化學(xué)電源，其比能量可達(dá)2600Wh/kg，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池，因此鋰-硫電池得到了廣泛的關(guān)注，廣大的科技工作者對(duì)鋰-硫電池進(jìn)行了大量和系統(tǒng)的研究工作，但是鋰-硫電池直到目前尚未被推廣使用。
總結(jié)起來(lái)主要有以下幾個(gè)原因：
1.硫正極的電子導(dǎo)電率很低(5 × 10 ?30 S cm ?1 )，這限制了鋰-硫電池進(jìn)行大電流放電的能力，限制了鋰-硫電池的功率密度;
2.正極硫化合物溶解的問(wèn)題，硫的溶解的導(dǎo)致鋰-硫電池在循環(huán)過(guò)程中容量衰減過(guò)快;
3.鋰負(fù)極枝晶生長(zhǎng)的問(wèn)題，在鋰-硫電池中，負(fù)極采用金屬鋰，在充電的過(guò)程中負(fù)極還原的金屬鋰會(huì)生長(zhǎng)成為枝晶，從而刺穿隔膜，引發(fā)電池起火爆炸，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題。上述的原因?qū)е落?硫電池雖然具有超高的比能量但是卻無(wú)法在實(shí)際中應(yīng)用。
最新的研究顯示，將硫正極填充在具有納米-微米孔的碳中可以有效的提高硫正極的性能。這一方面是因?yàn)樘疾牧细纳屏肆螂姌O的導(dǎo)電性，另一方面碳材料也抑制了硫的溶解。
針對(duì)鋰枝晶的問(wèn)題，過(guò)去的研究一直集中在調(diào)整電解液組分，以?xún)?yōu)化SEI膜，但是最近的研究發(fā)現(xiàn)，物理保護(hù)層能夠有效的抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，物理保護(hù)層的形成主要通過(guò)涂層和形成SEI膜的方式形成。
集流體是另外一個(gè)我們需要考慮的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的鋰-硫電池正極材料是通過(guò)傳統(tǒng)的涂布工藝將含有S的漿料涂布到電極上，然后經(jīng)過(guò)烘干和碾壓，再與鋰箔共同組成鋰-硫電池，但是這種工藝會(huì)導(dǎo)致不發(fā)揮容量的無(wú)效物質(zhì)的質(zhì)量增加，而有效質(zhì)量(S的比重)降低，影響鋰-硫電池的能量密度。
我們以漿料中含有70%的S，干燥后含有80%的S，漿料涂布再25μm的鋁箔上，涂布密度6mg/cm2為例，整個(gè)正極僅僅含有34%的S，這極大的限制了鋰-硫電池能量密度的提升。
為了解決上述問(wèn)題，中科大的Song Jin等人利用微米級(jí)長(zhǎng)度的碳納米管研制了一種超厚三維石墨泡沫集流體結(jié)構(gòu)(CNT-UGF)，Song Jin首先利用氣相沉積法合成了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的CNT-UGF框架結(jié)構(gòu)，S正極制備是通過(guò)熔化-吸收的方式，首先將S熔化，再利用CNT-UGF將熔化的硫吸收和儲(chǔ)存。
由于使用CNT-UGF的硫電極不需要使用粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，以及集流體，因此可以將S的含量提高到43%(2.4mg/cm2的涂布密度)。同時(shí)該中電極結(jié)構(gòu)能夠很好的抑制電極的衰降，經(jīng)測(cè)試在0.5C的倍率下，循環(huán)400次后，容量衰降率僅為0.063%/次。
如果將CNT-UGF與負(fù)極的鋰箔結(jié)合，可以將電壓滯后減少了14%，在循環(huán)800h后仍然沒(méi)有發(fā)生短路，而純鋰箔在260h后就發(fā)生了短路。采用CNT-UGF電極結(jié)構(gòu)的鋰-硫電池(正極涂布量2.6mg/cm2，S含量47%，負(fù)極Li-CNT-UGF復(fù)合負(fù)極，Li含量為20%)在12C的高倍率下，獲得了860mAh/g，功率密度8680W/kg，能量密度達(dá)到720Wh/kg。
這種方法目前成本還很高，但是利用該方法制備的電極具有很強(qiáng)的通用性，例如可以制成軟包方形電池，當(dāng)然這還需要再電解液量、密封和極耳焊接工藝做出相應(yīng)的調(diào)整。 
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