摘要：
锂硫（Li-S）电池凭借其高理论能量密度、成本效益及环境可持续性，成为下一代储能技术的有力候选方案。然而，多硫化物穿梭效应与锂枝晶形成等问题阻碍了其实际应用。层状双氢氧化物（LDHs）及其与碳基材料的复合体系作为创新解决方案应运而生，通过协同效应显著提升活性物质的化学吸附能力、反应动力学及物理约束性能。本文系统梳理了LDH@碳基复合材料的结构功能特性及其在锂硫电池中的应用前景。核心内容涵盖LDH衍生物的合成方法及其作为硫宿体、隔膜与夹层材料的作用机制。通过剖析性能提升原理，本文指出了该领域面临的挑战与研究空白，强调持续研发对推动锂硫电池技术进步的重大意义。
文章简介：
随着电动汽车、便携设备和可再生能源技术需求的增长，对先进储能解决方案的探索也日益深入。锂硫（Li-S）电池凭借其理论比容量高、能量密度大以及硫原料廉价且储量丰富的优势，已成为电池技术领域最具吸引力的选择之一。图1显示锂硫电池研究产出逐年稳步增长，反映出业界对该储能系统的日益浓厚兴趣。
图1. 2011年至2025年Li-S出版物数量（根据谷歌学术数据库估算的每年出版物数量）。数据来源于谷歌学术。
锂离子电池（LIBs）之所以主导储能市场，主要得益于其诸多优势，例如高工作电压、长循环寿命和可靠性。尽管具备这些令人鼓舞的特性，锂硫电池仍面临关键性能问题。主要包括反应动力学迟缓和循环过程中的不稳定性，这主要归因于多硫化物的复杂行为。第2.2节将对这些挑战进行更详细的讨论。这些问题导致循环寿命缩短和库仑效率降低，凸显了寻求创新解决方案的必要性（图2b）。
图2. (a)锂硫电池相较于锂离子电池的优势。(b)硫和锂元素对实用化锂硫电池带来的静态与动态挑战。(c–e)应对锂硫电池关键挑战的策略综述。
近年来已开发多种应对方案，包括通过材料科学进步和电池结构优化来攻克难关。然而锂硫电池仍面临诸多挑战，如维持高离子电导率、防止充放电循环中的机械失效等问题，亟需持续推进硫阴极基体材料与隔膜材料的设计研发，以确保电池安全可靠。
层状双氢氧化物（LDHs），又称阴离子粘土，是一类独特的二维有机材料。LDH可通过多种方法合成，每种方法各具优劣势，可通过结构改性适应特定应用需求。共沉淀法因操作简便且适于大规模生产而最为普及。然而混合不均可能导致粒径分布不均。Nouaa等人通过在氮气氛围下共沉淀MgCl2与AlCl3，在室温下经持续搅拌并经24小时老化处理，成功合成了镁铝层状双氢氧化物（MgAl-LDH）。Kokulnathan等人采用一步法溶剂热水热法合成了NiFe-LDH/Mo2C纳米复合材料。该方法简化了NiFe-LDH/Mo2C纳米复合材料的制备过程，该材料在多个领域具有潜在应用价值（图3a）。通过离子交换技术，可通过改变阴离子来改性预存的层状双氢氧化物（LDH），从而获得定制化的化学特性。Bai等人报道了一种合成嵌入石墨烯纳米片的分级镍钴层状双氢氧化物（Ni-Co LDH）空心纳米笼的方法。该过程涉及原位沉淀后进行离子交换反应，易于控制且适用于大规模生产（图3b）。所得复合材料具有由相互连接的LDH纳米花瓣构成的空心结构，这些花瓣均匀沉积在石墨烯纳米片上。此外，通过直接电化学沉积和微波辅助等简易方法，成功合成了CoAl、NiCo等LDH基材料，极大拓展了LDH的合成体系。基于这些合成技术，LDH可开发应用于储能、离子交换及催化等多元领域。为提升锂硫电池的电化学性能，层状双氢氧化物凭借卓越特性发挥关键作用：其高导电性可增强电极内部锂离子扩散效率，同时作为优异的硫宿主材料，能物理限制锂多硫化物扩散并抑制导致容量衰减的穿梭效应，从而显著提升反应稳定性。
图3. (a) NiFe-LDH/Mo2C纳米复合材料的制备路线及其电化学应用。(b)离子交换法合成Ni-Co LDH空心纳米笼/石墨烯复合材料的工艺流程。
其他技术也在探索中以优化其结构，例如将层状双氢氧化物（LDH）与石墨烯或碳纳米管等碳基材料结合，由此制备的复合材料展现出卓越的导电性、机械强度和吸附能力。例如，当镍钴层状双氢氧化物纳米片与石墨烯基体结合时，该复合材料能促进快速电子转移，增强氧化还原活性，从而提升在储能系统等应用中的性能。这种协同效应源于碳材料的高比表面积和官能团，它们既促进了分析物的有效吸附，又为电子转移提供了额外位点。此外，这些复合材料兼具柔韧性与轻量化特性，既保留了LDH的稳定性，又融合了碳材料的高导电性，适用于多种应用场景。
有别于以往涵盖多种硫宿主与功能材料的锂硫电池综述，本研究针对LDH@碳复合材料进行系统评估，详述其合成方法、结构特征及作为硫宿主、隔膜改性剂和夹层材料的多功能作用。同时探讨未来推进锂硫电池系统发展的挑战与潜在研究路径。
文章结论：
综上所述，由于锂离子电池的局限性，迫切需要开发替代性能源存储系统。锂硫电池凭借其高理论能量密度、成本效益及环境兼容性，成为传统锂离子系统的有前景替代方案。本文综述了层状双氢氧化物@碳复合材料在解决锂硫电池关键挑战（包括多硫化物穿梭、氧化还原动力学迟缓及循环过程中的体积变化）方面的结构特征、合成策略及电化学优势。我们探讨了其多功能应用，如硫宿主、隔膜改性剂和层间组分，重点阐述了极性层状双氢氧化物框架与导电碳网络协同作用对提升硫利用率、循环稳定性和催化活性的显著效果。
尽管LDH@碳复合材料在锂硫电池中展现出令人鼓舞的电化学性能，但在实现实际应用前仍需解决关键挑战。合成工艺是主要限制因素，其过程常涉及多步骤操作和苛刻条件。这些方法在实验室规模虽有效，却对规模化生产、可重复性和成本效益构成重大障碍。另一个研究不足的领域是层状双氢氧化物与锂多硫化物相互作用的基本机制，尤其涉及吸附强度、催化路径以及循环过程中的结构演变。需要先进的原位表征工具来阐明这些相互作用，并指导更耐用、更高效的宿主材料的合理设计。此外，尽管层状双氢氧化物对多硫化物具有强化学亲和力，但其在电化学条件下的长期结构稳定性(尤其是与导电碳载体结合时)仍缺乏充分研究。层状剥离、活性位点损失或化学降解等问题可能导致长期循环性能下降。通过材料工程、界面优化及原位分析解决这些问题，对推动层状双氢氧化物@碳结构从学术研究转化为实用电池技术至关重要。
展望未来，后续研究必须优先优化LDH-碳复合材料，以克服仍限制锂硫技术潜力的挑战。具体努力可包括探索创新合成方法，以优化层状双氢氧化物与碳基材料间的相互作用，例如：(i)缺陷工程技术以产生大量活性位点锚定多硫化物；(ii)杂原子掺杂（如氮、磷、硫）调节电子结构并提升氧化还原动力学；(iii)分级与多维结构设计以改善质量传输并适应体积变化。从而最大化其电化学性能。此外，探索替代复合材料（如各类双金属化合物或先进碳框架）可能为提升锂硫化合物高效转化所需的吸附容量与催化效率开辟新途径。综上所述，基于层状双氢氧化物、碳基材料及其他复合化合物的锂硫电池发展前景广阔，有望推动储能技术进步，但仍需持续探索以克服现有挑战并提升性能。
文章信息：
Layered Double Hydroxide@Carbon Composites in Lithium-Sulfur Batteries: Synthesis Strategies, Shuttle Suppression Mechanisms, and Applications
Mahider Asmare Tekalgne,Chenguang Liu,Yonas Tsegaye Megra,Li Yang*
https://doi.org/10.1002/bte2.70090
