随着便携式电子设备和电动汽车等产业的快速发展，人们对高能量密度电池的需求日益迫切，然而在传统锂离子电池中，正极材料因“插层式”的储锂机制导致其容量普遍较低，无法满足快速增长的市场需求。因此，新型高能量密度二次电池的探索和研发成为了储能领域的研究热点，锂硫电池就是其中之一。

一、锂硫电池介绍

锂电池的工作原理是基于硫和Li+的可逆氧化还原反应，它们之间的电化学反应如下:

首先，硫是一种导电性很差的绝缘体，给电荷转移过程带来困难。其次，多硫化锂能溶解在电解液中，很容易迁移到金属锂一侧并被还原成不溶的Li2S，沉积在金属锂电极表面& ldquo穿梭效应& rdquo现象；再次，当可溶性多硫化锂完全还原为不溶性硫化物时，会阻碍电子和离子的有效传输。最后，元素硫转化为不溶性硫化物后，两种物质的密度差异会造成体积效应，降低电极的稳定性。因此，锂硫电池存在实际容量低、循环性能差、可靠性表现差的缺点。

二、石墨烯在锂硫电池中的应用

针对上述问题，为了获得高性能的锂硫电池，研究人员通过各种手段对硫负极进行了复合和改性研究，设计并制备了一系列结构新颖、性能优异的复合硫负极材料。其中，碳材料因其导电性高、结构丰富、比表面积大而得到广泛应用，而石墨烯这种新型碳材料在提高锂硫电池性能方面表现优异。

石墨烯是一种优良的电子导体，具有机械强度高、比表面积大的优点。同时，化学修饰的石墨烯和石墨烯衍生物具有一系列表面官能团，可以为负载提供许多活性位点，因此石墨烯在复合硫正极材料中得到了广泛的应用。

一方面，石墨烯作为硫阳极的导电载体，弥补了硫导电性差的缺陷；另一方面，通过合理的结构设计和表面修饰，石墨烯还可以抑制多硫化物的溶解。此外，在最近的研究中，科学家还发现石墨烯功能涂层的设计可以减缓多硫化物在正负电极之间的穿梭，抑制& ldquo穿梭效应& rdquo现象。

1.石墨烯/硫复合正极材料的研究进展

石墨烯极高的导电性可以弥补硫颗粒导电性差的问题，因此石墨烯材料多被设计为负载硫的导电基体或导电网络。比如石墨烯泡沫结构可以实现石墨烯和硫在纳米尺度上的均匀复合，可以为硫提供快速高效的电子传输通道。同时，纳米孔可以有效地结合多硫化物。

常规条件下得到的三维石墨烯虽然结构丰富，但极其蓬松，表观密度很低，导致复合电极材料负载硫后体积能量密度严重不足。因此，中科院沈阳冶金研究所惠明院士采用CVD法在泡沫镍上获得三维多孔石墨烯泡沫。

这种方法不仅可以负载高比例的硫，而且可以将硫含量调节在3.3~10.1mg/cm2的范围内，特别是对于负载量为10.1mg/cm2的电极，可以获得非常高的比面积容量(13.4mAh/cm2)。

此外，考虑到石墨烯独特的二维片状纳米结构，石墨烯纳米片被用作包裹材料来构建具有& ldquo核壳& rdquo具有结构的复合电极材料也是固定多硫化物和减缓其溶解的重要途径。在碳纳米纤维表面均匀负载硫，然后在硫表面包覆石墨烯，是一种非常有效的方法。

2.石墨烯功能涂层在锂硫电池中的应用

为了提高锂硫电池的循环稳定性，除了控制硫正极材料的组成和结构以抑制多硫化物的溶解外，极片结构的设计是用来削弱& ldquo穿梭效应& rdquo也是一种重要的方式。比如在硫正极和隔膜之间加入缓冲层，可以大大提高锂硫电池的寿命。

石墨烯/硫/石墨烯-隔膜的创新极片结构设计，一方面将集流体由传统的铝箔改为石墨烯；另一方面，对膜进行了改性，改变了原来膜与硫阳极直接接触的方式，在膜表面包覆了一层石墨烯材料。

在传统的极片结构下，多硫化物在循环过程中溶解在电解液中后会穿过隔膜进入金属Li侧。在这种新型结构中，存在于隔膜和阴极材料之间的石墨烯层可以有效地阻止多硫化物的迁移。此外，由于石墨烯材料优异的力学性能，石墨烯改性隔膜可以有效缓解硫正极在充放电过程中的体积变化，保持极片的结构完整性。

概述:

电化学储能在当今人们的生产和生活中发挥着重要的作用。无论是大量的可再生能源，还是便携式器件的高密度存储，都对电化学储能器件和材料的成本、储能密度和稳定性提出了更高的要求。

锂硫电池理论比容量高、比能量高、原料便宜，在未来的电化学储能领域极具竞争力。如果石墨烯的应用能够改善锂硫电池实际容量低、循环性能差、可靠性表现差的缺点，那么在不久的将来，锂硫电池的性能可能会给我们带来更多的惊喜。