综述：碱金属硫化物正极在先进固态金属硫电池中的挑战与前景

这篇综述全面探讨了固态金属硫电池（SSMSBs）中碱金属硫化物（M2Sx）正极的研究进展，重点分析了其高能量密度、安全性及体积稳定性优势，同时总结了导电网络设计、界面优化和固态电解质（SSE）开发等关键策略，为下一代高稳定性电池提供了可行性路径。

　　

摘要

固态金属硫电池（SSMSBs）因其高能量密度和安全性成为研究热点，但硫正极的体积膨胀和界面接触问题制约其发展。碱金属硫化物（M₂S_x）正极通过预锂化/钠化策略避免了体积变化，同时兼容硅（Si）、锡（Sn）等高容量负极，为固态电池提供了新思路。

1 引言

传统液态金属硫电池存在多硫化物穿梭和金属负极枝晶问题。固态电解质（SSE）可阻断多硫化物扩散并抑制枝晶，但硫正极80%的体积膨胀会破坏刚性界面。M₂S_x（如Li₂S、Na₂S）在充电时体积收缩，为后续硫膨胀预留空间，显著提升循环稳定性。

2 反应机制

锂硫电池：Li₂S氧化需克服3.5 V能垒，其分解依赖Li⁺扩散和电荷转移。原位透射电镜（TEM）显示高温可加速Li₂S分解。

钠硫电池：Na₂S激活后呈现双电压平台，X射线光电子能谱（XPS）证实其转化为高阶多硫化钠（Na₂S_x, x=4-5）。

3 正极设计

导电网络：碳纳米管（MWCNT）负载Na₂S可将容量提升至740 mAh g^?1。

物理限域：核壳结构Li₂S@TiS₂通过强化学吸附抑制多硫化物迁移。

催化位点：单原子铁（SAFe）催化剂将Li₂S激活电压降至2.84 V。

氧化还原介质：Li₂S₆作为液相媒介，降低固态转化能垒。

4 固态电解质

聚合物基：聚环氧乙烷（PEO）复合电解质通过LiI掺杂提升离子电导率至2.1×10^?4 S cm^?1。

硫化物基：Li₆PS₅Cl（LPSCl）具有10^?2 S cm^?1的高电导率，但易与氧化物正极反应。

NASICON型：Na₃Zr₂Si₂PO₁₂通过Zn²⁺掺杂拓宽离子迁移瓶颈。

5 界面优化

阴极/电解质界面：Li₃PO₄（LPO）涂层可抑制NCM811与LPSCl的副反应。

阳极界面：三维混合SEI（3D-hyb-SEI）含Li₂S无机层，实现锂均匀沉积。

6 非碱金属负极

Li₂S/Si全电池通过TiN锚定多硫化物，循环200次容量保持80%。石墨负极匹配Li₂S时容量达1006 mAh g^?1，但需解决首效低的问题。

7 先进表征

同步辐射X射线吸收谱（XAS）揭示Ni基正极在高电位下的Jahn-Teller畸变；原子力显微镜（AFM）量化SEI的硬-软-硬梯度力学特性。

8 展望

未来需聚焦：1）多维度离子通道电解质设计；2）应力自适应界面层；3）高负载（>5 mg cm^?2）正极的3D导电骨架；4）非金属负极的体积膨胀补偿策略。