近日，中心研究人员、复旦大学夏永姚教授课题组设计出具有低自放电的锂硫电池。相关研究成果以“To mitigate self-discharge of lithium–sulfur batteries by optimizing ionic liquid electrolytes”为题，发表在英国皇家化学学会（RSC）旗下著名国际学术期刊《Energy & Environmental Science》上。

锂硫电池由于其具有不可比拟的高比能量等性能，近年重新受到了研发人员的重视。单质硫具有资源丰富、毒性小、价格低廉、密度小等特点，并且单质硫比容量高达1,675 mAh g^-1，理论能量密度高达2,600 Wh kg^-1，是目前已知的比容量最高的固体正极材料。尽量前景可观，但锂硫电池的研发应用遇到了诸多困难，特别是电池内部的“穿梭效应”所引起的问题。锂硫电池充放电过程中所产生的中间产物多硫化锂（Li₂S_x, 4 ≤ x ≤ 8）易溶于目前常用的有机电解液，且溶解的多硫化锂会穿过隔膜扩散到负极锂片表面，在负极金属锂表面还原成短链多硫化锂或者硫化锂等产物。短链多硫化锂又会扩散到正极，在充电时被氧化。此过程被称为“穿梭效应”。

穿梭效应不但引起硫正极的活性物质损失，锂负极的腐蚀，电池内阻的增加，并且会引起电池严重的自放电。所谓“自放电”就是电池在不与外电路连接时，由内部自发反应引起的电池容量损失。低自放电率是衡量一个能源存储设备是否可以实际应用的关键指标。毫无疑问，自放电问题无疑是实现锂硫电池商业化应用必须克服的一道障碍。而目前关于锂硫电池的自放电问题的报道还非常有限。该研究组发现应用离子液体（N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide，PP13TFSI）做锂硫电池的电解液基体可以有效控制电池的自放电率。通过可溶的多硫化物在醚类溶剂及离子液体溶剂中的溶解度测试比较，研究人员发现多硫化物的溶解度在离子液体中可以有效降低。该工作表明这源于离子液体的阴离子TFSI– 是弱路易斯碱，与多硫化锂（Li₂S_x, 4 ≤ x ≤ 8）的阳离子Li⁺的络合能力很弱，这有利于降低多硫化锂的溶解度和扩散速率。因此，由于多硫化锂（Li₂S_x, 4 ≤ x ≤ 8）的溶解导致的“穿梭效应”得到有效控制。与用一般醚类为基础的电解液相比，电池的自放电率得到明显改善。一个全充满电的电池在不与外电路连接时放置两天，电池的自放电率为零。

上述研究工作为选择和设计锂硫电池电解液指明了方向，该工作受到能源材料化学协同创新中心、国家自然科学基金委面上项目等的支持。

http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/ee/c5ee02837j