鋰硫電池和金屬空氣電池技術(shù)有哪些不同？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-08-13 10:23
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鋰硫電池技術(shù)
近年來，傳統(tǒng)的鋰離子電池技術(shù)不斷進(jìn)步，但是電池的比能量仍然不能滿足應(yīng)用的要求，電池技術(shù)依舊是便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車發(fā)展的最大瓶頸。為實(shí)現(xiàn)高比能量電池技術(shù)的創(chuàng)新性突破，科研人員將突破方向選擇為能量密度更高的鋰硫電池和鋰空氣等金屬空氣電池，并取得了一定進(jìn)展。一些新型電池技術(shù)已經(jīng)看到了實(shí)際應(yīng)用的曙光。
鋰硫電池是以硫元素作為正極、金屬鋰作為負(fù)極的一種電池，其理論比能量密度可達(dá)2600Wh/kg，實(shí)際能量密度可達(dá)450Wh/kg。同時(shí)單質(zhì)硫價(jià)格低廉、產(chǎn)量豐富、環(huán)境友好，是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的高比能量電池技術(shù)。
國際上，鋰硫電池的代表性研發(fā)廠商有美國的SionPower、Polyplus、Moltech，英國Oxis及韓國三星等，其中以SionPower公司的結(jié)果最具代表性。2010年，SionPower公司將鋰硫電池應(yīng)用在無人機(jī)上，白天靠太陽能電池充電，晚上放電提供動(dòng)力，創(chuàng)造了無人機(jī)連續(xù)飛行14天的紀(jì)錄，是鋰硫電池較為成功的應(yīng)用實(shí)例。在國內(nèi)，鋰硫電池的研究主要集中在中科院大連化物所、中國防化研究院、北京理工大學(xué)等科研單位，近幾年取得迅速發(fā)展。目前，國內(nèi)所開發(fā)的鋰硫電池在能量密度上已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位(>450Wh/kg)，但是正常充放電幾十次之后，能量密度就大幅度衰減，其循環(huán)壽命亟待提高。
鋰硫電池是世界各國競(jìng)相研發(fā)的尖端技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化前景被普遍看好。如何大幅提高該電池的充放電循環(huán)壽命、使用安全性，將成為鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。
金屬空氣電池技術(shù)
當(dāng)前，金屬空氣電池特別是鋰-空氣電池已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注，并取得許多重大進(jìn)展。
鋰-空氣電池以金屬鋰為負(fù)極，空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，通過鋰與氧之間的電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。該電池理論能量密度可達(dá)約3500Wh/kg，為鋰離子電池的10倍，與汽油接近。著眼于鋰-空氣電池的潛在應(yīng)用前景，世界各國紛紛開展相關(guān)研究工作。IBM公司一直致力于“電池500”項(xiàng)目，期望實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車一次充電續(xù)航500英里的目標(biāo)；而日本的旭化成等企業(yè)的加入將推動(dòng)隔膜與電解液的研究。
鋰-空氣電池并非全新概念，其最早由洛克希德公司研究人員于1976年提出。1996年，Abraham等人提出有機(jī)電解液體系，開創(chuàng)了鋰-空氣電池研究新局面。目前，鋰-空氣電池的研究主要集中于正極，其直接決定了電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)。能量密度方面，最具代表性的便是石墨烯類材料。美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員，制備了一種具有氣泡式結(jié)構(gòu)的分層石墨烯材料，實(shí)現(xiàn)了約15000mAh/g的放電比容量，遠(yuǎn)超現(xiàn)有鋰離子電池。
然而，鋰-空氣電池充放電過程中生成的含氧中間態(tài)產(chǎn)物會(huì)與碳材料、電解液等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致大量副產(chǎn)物的生成(如碳酸鋰等)，極大地影響了電池的循環(huán)過程，是制約其發(fā)展的瓶頸問題。Bruce等人將多孔金和碳化鈦用于正極，可有效抑制副反應(yīng)，100次循環(huán)容量保持率大于95%。
高能量密度是鋰-空氣電池的主要優(yōu)勢(shì)，而循環(huán)穩(wěn)定性是其技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和面臨的難題。另一方面，金屬鋰的純化和鋰負(fù)極保護(hù)與充放電過程中的枝晶抑制，高活性正極催化組分以及選擇性透氧膜的開發(fā)，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集成技術(shù)等均是其實(shí)用化過程需要有效解決的問題。
鋰硫電池早在1940年就有研究，而鋰空氣電池最近才引起關(guān)注。
下圖列舉了各類電池電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，目前鋰離子電池為160公里，繼續(xù)優(yōu)化鋰離子電池未來有望達(dá)到200公里，要真正有競(jìng)爭(zhēng)力，能行駛500公里以上，未來很可能需要采用鋰空氣電
如下羅列了鋰空氣和鋰硫電池的特點(diǎn)，問題，及發(fā)展前景。
鋰空氣（無水型，或有機(jī)電解液型）
正極空氣電極受空氣中二氧化碳和水蒸氣的影響，透氣膜有待開發(fā)。目前無特制透氣膜的話電池壽命僅幾個(gè)小時(shí)，最好的透氣膜電池壽命1個(gè)月。
電解液是大問題，必須化學(xué)穩(wěn)定，導(dǎo)離子，溶解氧，擴(kuò)散氧，不易揮發(fā)。目前常用碳酸丙烯酯，但放電過程中易受到氧氣影響而降解。最近有報(bào)道使用醚類，穩(wěn)定但充電是不能釋放全部氧。
電壓取決于正極催化劑的使用。目前常用alfa二氧化錳，最新研究有用碳材料的。還不清楚催化劑是否促進(jìn)電解液分解影響其穩(wěn)定性。
正極氧還原在鋰存在下常被認(rèn)為是一個(gè)電子轉(zhuǎn)移。
充放電的正極反應(yīng)路徑不一樣，引起充放電電壓不一致，常為0.7伏差異。
金屬鋰負(fù)極的安全性，剩余金屬鋰問題或載體問題。
鋰空氣（有水型）
始于2007年。
最大問題為保護(hù)金屬鋰負(fù)極，避免接觸水電解質(zhì)，使用一層絕緣但鋰離子能通過的膜。
不需要防止空氣中水（蒸氣）的入侵，但還是要防止二氧化碳。
水電解質(zhì)參與電極反應(yīng)，放電過程中被消耗引起氫氧化鋰飽和，流動(dòng)設(shè)計(jì)有可能解決這個(gè)問題。
為提高容量，必須允許使用固體氫氧化鋰，這里需要一個(gè)離子交換膜來解決這個(gè)問題。
氧還原問題，需要催化劑。
鋰硫電池
正極還原硫，最終得到硫化鋰，已經(jīng)有幾十年的研究。
優(yōu)點(diǎn)：硫便宜，高理論容量。
問題：硫?qū)щ姴?，正極反應(yīng)得到固體硫化鋰，所以充電循環(huán)次數(shù)少，速率慢；形成不同中間產(chǎn)物，正負(fù)極間流動(dòng)消耗，容量迅速降低；金屬鋰和電解液界面難以控制。
最近研究：使用多孔正極改善導(dǎo)電性；使用有機(jī)硫高分子正極；電解質(zhì)問題。
總的來說，從總成本來看鋰硫比鋰空氣電池更接近市場(chǎng)化。但鋰硫電池的問題幾十年沒解決，而鋰空氣研究時(shí)間尚短。
整體來說化學(xué)問題還沒理解清楚，目前很難商業(yè)化。
