开题报告
背景
化石燃料的持续消耗以及环境污染的巨大危害促进人们寻求清洁绿色、可持续、可再生能源，诸如太阳能、风能、潮汐能和地热能等，同时低碳交通和新能源交通工具引起人们的关注，光伏、光热、风力发电系统等应运而生。同时我国“十二五”能源发展规划明确提出，优化能源结构大力发展新能源和可再生能源，是我国当前能源工作的一项重要任务。[1]然而太阳能、风能等容易获得且取之不尽、用之不竭的新能源的利用受天气因素、地理位置等影响较大，具有显著的间歇和不稳定性，[2]因此这些能源的有效利用须有高效、经济的能源存储系统。在众多储能器件中，锂离子电池可提供最高的能量密度，且具有电压稳定、自放电小、寿命长和无记忆效应等优点，广泛应用于航空航天、便携设备、电动工具等方面。[3]
锂离子电池的能量密度可以达到150Whkg-1，仍然无法满足现代社会对能源持续增长的需求，究其原因，根本的挑战在于电池的正极和负极材料比容量的限制。目前，锂离子电池正极材料主要采用过渡金属氧化物或磷酸盐，负极主要采用石墨。由于这些材料基于插入反应化合物，正极材料比容量可达到150-200mAhg-1，[4]负极石墨的比容量约为370mAhg-1，限制了锂离子电池的容量和能量密度，即使优化技术，其能量密度最大可以提升30%，远远无法满足电动汽车800km的续航能力。
因此发展高能量密度的锂离子电池成为目前发展储能系统的迫切需求。[5]为了进一步提升锂离子电池的能量和功率密度，需要提升正极和负极材料的比容量或者提升电池电压。然而，现有电解液体系的电化学稳定窗口使得电压不能超过4.3V，因此需要寻求新型高容量正极和负极材料，例如，Si、Sn、Sb、Al等负极材料，虽然比容量较高，但是在嵌锂过程中体积膨胀较大会引起电极裂纹，容量衰减，循环性能较差。需要进行纳米化、薄膜化、包覆等改性，目前难以实现商业化应用。
为了满足持续发展的电动汽车、智能电网等对能量密度的需求，人们开始开发新型电化学体系的电池。基于转换反应且能与更多离子和电子反应的电极材料成为很好的选择。近来，锂-空气和锂硫电池因其能量密度高（分别为3500Whkg-1和2500Whkg-1）得到广泛关注，成为新型电化学体系电池的代表。然而，由于锂-空气电池关键组件的技术尚未突破，使得其可充电性能及循环性能面临着巨大挑战。
与锂-空气电池相比，正极和负极材料分别为单质硫和金属锂的锂硫电池所面临的挑战则要小一些，被认为更容易实用化。其理论能量密度可达2600Whkg-1，约为目前商业化电池的5倍，正极和负极材料的理论比容量分别为1672mAhg-1和3860mAhg-1，单质硫的高容量基于单质硫的转化反应，一个硫原子可以与两个锂原子反应生成Lis。单质硫不仅理论比容量高，而且储量丰富，环境友好，成本低。
锂硫电池的概念起源于20世纪60年代初期，当时报道的锂硫电池以锂为负极、硫或者硫化物为正极，电解液以脂肪胺为溶剂，高氯酸盐为盐。随后有机电解液锂硫电池陆续得到报道。1975年，美国阿贡国家实验室报道了锂硫电池在熔融LiCl-KCl电解液中的电化学反应，1979年，人们研究了锂/多硫化物在有机电解液中的充放电行为。至此，研究者对单质硫和多硫化物在电解液中的电化学行为有了深入的认识，人们对单质硫/多硫化物正极材料的探索和认识逐步加深。
锂硫电池，顾名思义，是通过锂和硫之间的电化学反应来存储和传递能量的，主要由正极、负极、电解液和隔膜四个主要部件组成，[6]属于化学电源体系,[7]与传统的正极材料如LiCoO2的脱嵌反应不同，单质硫是通过S-S键的断裂和生成与锂反应的。一般条件下，单质硫以皇冠状S8分子存在，在放电过程中，锂离子迁移到正极，环状S8分子与锂发生还原反应，首先，S8分子的S-S键断裂，形成长链多硫化物离子，多硫化物离子溶解进入电解液，进而经过多步反应还原为Li2S。
