隨著人們對化學(xué)儲能電池能量密度的要求不斷提高，傳統(tǒng)的鋰離子電池已經(jīng)逐漸無法滿足高比能電池的需求，為了進(jìn)一步提升電池的能量密度，人們開發(fā)了多種高能量密度體系，例如Li-O2電池和Li-S電池，其中Li-O2電池的理論比能量可達(dá)3600Wh/kg，遠(yuǎn)高于目前的鋰離子電池體系。S的理論比容量達(dá)到1672mAh/g，理論比能量達(dá)到2600Wh/kg，雖然稍遜色于Li-O2電池，但是Li-S電池的優(yōu)勢是技術(shù)成熟度較高，有希望能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)際應(yīng)用。

Li-S電池存在的主要問題有以下幾點(diǎn)：1）S和嵌鋰產(chǎn)物的電導(dǎo)率很低，限制了其性能發(fā)揮；2）嵌鋰中間產(chǎn)物多硫化物的溶解和其在正負(fù)極之間穿梭的問題，這不僅僅會造成正極活性物質(zhì)的損失,還會導(dǎo)致低庫倫效率；3）嵌鋰導(dǎo)致S體積膨脹的問題，可達(dá)80%，引起電極結(jié)構(gòu)破壞，容量衰降；4）負(fù)極鋰枝晶的問題，在充電的過程中金屬鋰的表面由于電流分布不均勻的問題，會導(dǎo)致鋰枝晶的生長問題，這不僅會導(dǎo)致容量衰降，還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。這其中S的體積膨脹和電導(dǎo)率低的問題已經(jīng)通過將S與其他導(dǎo)電材料復(fù)合的方法得到了解決，目前還需要解決的是嵌鋰中間產(chǎn)物的溶解的問題。

來自同濟(jì)大學(xué)的LimingJin等人利用原位形成保護(hù)層技術(shù)，在S的表面包覆了一層La2S3吸附封鎖層，能夠很好的抑制嵌鋰中間產(chǎn)物向電解液中溶解，減少穿梭效應(yīng)，提高電池的循環(huán)性能，同時(shí)該保護(hù)層還能夠抑制Li2S的結(jié)晶，提高離子電導(dǎo)率。因此使用該技術(shù)的Li-S電池在0.2C循環(huán)300次后，其容量仍然能夠達(dá)到803mAh/g，在5C倍率下仍然可以獲得410mAh/g的高容量。

實(shí)驗(yàn)中LimingJin將La（NO3）3溶解在電解液中，獲得1wt%溶液，通過S電中的嵌鋰產(chǎn)物多硫化合物L(fēng)iPS與La（NO3）3反應(yīng)獲得La2S3表面保護(hù)層。為了分析該過程的反應(yīng)機(jī)理，LimingJin進(jìn)行了下圖所示的試驗(yàn)，向Li2S4的溶液中加入La（NO3）3溶液，經(jīng)過三個(gè)小時(shí)后，溶液幾乎已經(jīng)變的澄清了，LimingJin認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理如下所示。對反應(yīng)產(chǎn)物的檢測也表明，產(chǎn)物為晶體La2S3。

利用XPS研究顯示，La2S3晶體能夠利用S-S鍵和S-La鍵吸附多硫化合物，減少多硫化合物溶解，并能夠抑制Li2S結(jié)晶，從而提高S的離子電導(dǎo)率，這表明通過La（NO3）3與S負(fù)極在嵌鋰過程中產(chǎn)生的多硫化合物L(fēng)iPS反應(yīng)，在S正極表面產(chǎn)生一層La2S3晶體，能夠起到保護(hù)S正極的作用，同時(shí)該反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)iNO3也是保護(hù)金屬鋰負(fù)極常用的電解液添加劑，因此La（NO3）3非常適合作為Li-S電池的電解液添加劑。

為了驗(yàn)證La（NO3）3在實(shí)際電池中的工作效果，LimingJin分別制備了添加La（NO3）3，LiNO3（LiNO3能夠幫助形成更好的負(fù)極SEI膜）和無添加的電解液，分別標(biāo)記為E-La，E-Li和E-W，三種電解液的循環(huán)性能如下圖所示，從圖上可以看到，添加La（NO3）3的電解液循環(huán)性能好于添加LiNO3的電解液，性能最差的是沒有任何添加的電解液，E-La電解液的初始容量為1280mAh/g。循環(huán)100次后，剩余容量為863mAh/g，而E-Li和E-W電解液初始容量僅為950.9和944.6mAh/g，循環(huán)100次后，容量剩余分別為660.7和544.1mAh/g。通過SEM，HRTEM和FFT等檢測手段確認(rèn)了經(jīng)過0.2C充放電循環(huán)后電池的正極表面形成了一層含有La2S3的保護(hù)層，正是這層保護(hù)層的存在提高了S正極的循環(huán)性能。

E-La和E-Li兩種電解液的倍率性能測試如下圖所示，從測試結(jié)果來看，E-La電解液的倍率性能要明顯好于E-Li電解液，LimingJin認(rèn)為這主要是因?yàn)長a2S3能夠非常有效的抑制Li2S的結(jié)晶，促進(jìn)Li+在保護(hù)層內(nèi)遷移，并減少活性物質(zhì)損失。

LimingJin開發(fā)的原位成膜保護(hù)S正極的方法不僅對S正極有很好的保護(hù)效果，更重要是相比于目前一些常見的原子層沉積，磁控濺射等方法形成保護(hù)層的工藝，該方法僅需要在電解液添加少量的La（NO3）3即可，極大的簡化了工藝，非常適合做為Li-S電池電解液添加劑規(guī)模化應(yīng)用。