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锂硫（Li-S）电池因硫阴极理论能量密度高，有望取代现有锂离子电池，但其商业发展受限于低效的氧化还原反应和 “穿梭效应”。研究人员开展单步激光打印制备高性能集成硫阴极的研究，所得阴极展现高可逆容量和低容量衰减，简化了制备流程，推动了锂硫电池发展。
在当今科技飞速发展的时代，各类电子设备对电池性能的要求越来越高。传统的锂离子电池逐渐难以满足人们对于高能量密度电池的需求，锂硫（Li-S）电池因其硫阴极具有超高的理论能量密度，成为了科研人员眼中的 “潜力股”，有望成为新一代电池的主力军。然而，锂硫电池在实际应用的道路上却困难重重。硫和多硫化物近乎绝缘的特性，极大地限制了电池在高硫负载下的高倍率性能；氧化还原反应过程中，活性物质从单质硫到多硫化物的体积变化显著，这会导致电极发生不可逆的结构改变；而长链可溶性多硫化物引发的 “穿梭效应” 更是雪上加霜，不仅会造成活性硫物种的损失，还会使 Li?S 沉积在锂负极上，严重影响电池的性能和使用寿命。这些问题如同拦路虎，阻碍着锂硫电池的商业化发展。
为了攻克这些难题，来自香港科技大学智能制造中心等机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种全新的制备方法，旨在提升锂硫电池的性能，使其更接近商业化应用的标准。经过不懈努力，研究人员取得了令人瞩目的成果，相关研究发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用的关键技术方法主要有激光打印技术、材料表征技术以及电化学测试技术。在激光打印过程中，利用商业桌面光纤激光刻写机，在氩气氛围下将目标材料从前驱体供体层转移到碳织物受体上；通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散光谱（EDS）、X 射线衍射（XRD）等多种材料表征技术对样品的微观结构、元素分布和晶体结构等进行分析；运用循环伏安法（CV）、恒电流充放电测试（GCD）、电化学阻抗谱（EIS）等电化学测试技术评估电池的电化学性能。
激光打印制备硫阴极
研究人员利用激光打印技术，实现了硫阴极的一步法制备。在这个过程中，前驱体供体在激光脉冲照射下被激活，产生喷射粒子，这些粒子包含原位合成的基于埃洛石的杂化纳米管、硫以及葡萄糖衍生的多孔碳。激光打印后，包含主体材料、活性材料和导电成分的复合层均匀地涂覆在碳织物受体上，形成一体化硫阴极（L?MnOx-Hal-S@CF）。与传统制造方法相比，激光打印过程将硫主体合成、硫封装和阴极制造集成到一个步骤中，大大节省了时间、能源和辅助成本，且可通过自动位移系统实现规模化高效生产。
激光打印阴极的表征
通过多种表征手段对激光打印阴极进行分析，结果表明，MnOx-Hal-S 涂层的主要成分是硫物种，MnOx-Hal 纳米管作为主体和结构材料支撑硫物种，多孔碳均匀分布在硫物种中。TEM 和 XRD 等分析证实了锰氧化物成功地在埃洛石纳米管上合成，且MnOx纳米粒子存在多种化学状态和晶体结构。同时，激光打印过程不仅转移了单质硫，还促进了多硫化物的形成，MnOx-Hal 对多硫化锂（LiPS）具有很强的吸附能力，能够有效减轻穿梭效应。
锂硫电池的电池性能
研究人员将L?MnOx-Hal-S@CF 阴极组装成锂硫扣式电池，对其电化学性能进行详细测试。CV 曲线和 GCD 结果显示，与对照样品 L-Hal-S@CF 阴极相比，L?MnOx-Hal-S@CF 阴极具有更高的Li+扩散系数、更低的极化电位和更高的初始比容量。在 1 C 的电流密度下循环 1000 次后，L?MnOx-Hal-S@CF 阴极仍保持 79.4% 的容量保持率，展现出良好的循环稳定性。此外，L?MnOx-Hal-S@CF 阴极在高硫负载下也表现出优异的性能，当硫负载量增加到7.8mgcm?2时，在第 100 次循环中仍具有5.60mAhcm?2的高剩余容量。研究人员还组装了锂硫软包电池，该电池在高硫负载和低电解液 / 硫（E/S）比的条件下，表现出高比容量和良好的循环性能。
综上所述，研究人员开发的单步激光打印工艺为制备锂硫电池的集成硫阴极提供了一种高效、便捷的方法。这种方法将多个制备步骤集成在一起，大大提高了生产效率，降低了成本。所制备的L?MnOx-Hal-S@CF 阴极使锂硫电池具有高初始容量和良好的循环稳定性，在高硫负载下也能保持优异的性能。尽管该技术还存在一些不足，如制备的主体材料晶体结构复杂，高瞬态温度可能导致部分多硫化物无法转化为活性硫物种，从而降低总容量，但整体性能仍能满足实际应用的需求。该研究为未来锂硫电池的商业化发展提供了新的思路和方向，有望推动锂硫电池在电动汽车、便携式电子设备等领域的广泛应用。
