研究背景

鋰硫電池比起現在廣受應用的鋰離子電池具有能量密度更高的特點，引起了學界的廣泛關注，而這兩種電池的主要差異在於儲存能量的機制。鋰離子電池在充放電過程中，鋰離子會嵌入層狀電極材料中，如石墨陽極和鋰金屬氧化物陰極。由於鋰離子是以特定的排列方式嵌入特定的位置，因此鋰離子電池的理論能量密度達到420 Wh kg^-1就是極限了。

然而，鋰硫電池的儲能原理並不是層狀式的嵌入，而是基於鋰金屬陽極側的鋰電鍍與剝離，以及硫陰極的相轉換反應。因此賦予鋰陽極和硫陰極更高的理論比容量（鋰陽極為3860 mAh g^-1，硫陰極為1673 mAh g^-1）。再加上擁有2.15伏特的平均電池工作電壓平台，使得鋰硫電池具有高達2500 Wh kg^-1的理論能量密度。

由上圖的電壓－比電容分布可得知，放電時，第一個放電電壓平台貢獻了25 % (418 mAh g ^-1）硫理論容量，這是由於硫首先被鋰化形成一系列長鏈多硫化鋰。再進一步鋰化時，溶於電解液的長鏈多硫化物形成短鏈的鋰多硫化物（Li ₂ S ₄ → Li ₂ S ₂ → Li ₂ S），最後固態的 Li ₂ S重新沉澱到電極上，表現在第二個放電平台上，其貢獻了理論容量的剩餘75 % (1255 mAh g ^-1 )。

在充電時，上述的反應則逆向進行，儘管反應中間物可能有所不同。總體來說，我們看到鋰硫電池隨著反應的進行經歷了固態→液態→固態的相轉變，由於異相反應較同相反應難以進行，使得鋰硫電池製作上更具挑戰性。

突破瓶頸

目前，鋰硫電池仍未商業化，主要是因為還有許多未能解決的難題。首先，在陰極材料方面有幾點困難尚未解決：

(1) 在充放電過程中，長鏈多硫化鋰易溶於醚類電解質中，使得活性材料不斷流失到電解液中，部分長鏈多硫化鋰不會繼續反應成固相的Li₂S，而是向陽極擴散，造成活性物質不可逆的損失，因此在循環過程中經常觀察到低放電容量和容量快速衰減。

(2) 由於硫與硫化鋰本身導電性差，因此導致活性材料的利用率極低，在充放電過程中，絕緣硫化鋰的沉澱會導致陰極表面鈍化，造成放電容量大幅降低。

(3) 放電過程中，由於硫與硫化鋰之間的密度差異，使得硫在完全鋰化成硫化鋰之後，會發生約80 %的體積膨脹，並一定程度上破壞陰極活性物質硫的載體。

再者，陽極材料上也有需要被解決的問題，像是非均勻固體電解質介面(Solid Electrolyte Interphase, SEI)的生成，鋰離子陽極鋰金屬表面形成SEI層。然而由於大多數情況下，SEI層是不均勻的，不能充分鈍化鋰金屬的表面導致電解質與鋰金屬產生副反應，使充放電過程中造成不可逆的損失進而減低了庫侖效率。