鋰硫電池作為新一代鋰電池發(fā)展方向?qū)⑷绾螒?yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-25 09:24
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具有能量密度高、容量大、環(huán)保、廉價等特點的鋰硫電池被稱為是繼鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發(fā)展方向，然而其使用過程中產(chǎn)生的多硫化物導(dǎo)致電池性能衰退一直是影響鋰硫電池應(yīng)用的瓶頸問題。近日，西安交大化工學(xué)院李明濤課題組設(shè)計開發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)的石墨烯保護層的正極材料，獲得了長循環(huán)壽命的鋰硫電池。
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池，作為一種高比能電池，具有價格低廉、儲備豐富、綠色環(huán)保等特點，被譽為鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發(fā)展方向，其理論比能量高達2600Wh/kg，遠高于目前商業(yè)化的鋰離子電池，也是破解新能源汽車“里程焦慮”備選項之一。然而鋰硫電池在實際應(yīng)用中，易溶于電解液的多硫化物(中間產(chǎn)物)形成“穿梭效應(yīng)”會直接導(dǎo)致差的電池循環(huán)壽命。因此，如何抑制多硫化物的穿梭在鋰硫電池正極研究中至關(guān)重要。
所謂穿梭效應(yīng)，指的是在充放電過程中，正極產(chǎn)生的多硫化物(Li2Sx)中間體溶解到電解液中，并穿過隔膜，向負極擴散，與負極的金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)，最終造成了電池中有效物質(zhì)的不可逆損失、電池壽命的衰減、低的庫倫效率。
針對這一問題，近日，西安交大化工學(xué)院、長期從事新一代二次電池正極材料開發(fā)與應(yīng)用的李明濤課題組，創(chuàng)造性地設(shè)計了一種二維插層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負極之間構(gòu)建了多層“防鯊網(wǎng)”，不僅能通過物理和化學(xué)雙重作用阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。
他們的研究成果對提升鋰硫電池電化學(xué)性能及進一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化具有理論指導(dǎo)意義。前不久，該成果發(fā)表在國際著名期刊《可持續(xù)能源材料化學(xué)》（ChemSusChem）上，并入選為封面文章。
不久之前，中科院大連化物所在鋰硫二次電池技術(shù)研發(fā)中取得新進展，所研制的能量型鋰硫電池的比能量經(jīng)第三方按照國軍標要求的安全測試，從之前的520Wh/kg、570Wh/kg到609Wh/kg，刷新了二次電池比能量在同領(lǐng)域的領(lǐng)先位置。此次新研制的能量型鋰硫電池，還展示出了優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性：在-20℃的環(huán)境中，放電比能量達到400Wh/kg;在-60℃的極寒環(huán)境中仍可工作，表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于鋰離子電池的低溫性能。此外，新研制的功率型鋰硫二次電池的持續(xù)放電倍率大于4C，脈沖可達10C。目前由中科院大連化物所研制開發(fā)的鋰硫電池組已完成了與太陽能無人機的全系統(tǒng)地面聯(lián)試，取得良好效果，通過了用戶驗收。
作為一種高效的儲能系統(tǒng)，從各種電子產(chǎn)品到電動汽車，再到電網(wǎng)規(guī)模化能量存儲的擴展應(yīng)用，鋰電池正在越來越多地參與到能源生態(tài)演變這一重要進程中。過去幾十年鋰離子電池(LIBs)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，然而它的高成本和越來越接近理論極限的現(xiàn)狀以及在我國的十三五規(guī)劃中，提到的在2020年時將電池的容量提升到500Wh/kg，這些市場形勢和政策走向，使得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在尋求超越鋰離子嵌入的新型化學(xué)儲能電池，以滿足不斷增長的能源需求。按照目前的進度來看，基于全新能量轉(zhuǎn)化機制的鋰硫(Li-S)電池摘得頭籌的可能性比較大。
鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池，作為一種高比能電池，具有價格低廉、儲備豐富、綠色環(huán)保等特點，被譽為鋰離子電池之后下一代動力電池體系的發(fā)展方向，其理論比能量高達2600Wh/kg，遠高于目前商業(yè)化的鋰離子電池，也是破解新能源汽車“里程焦慮”備選項之一。然而鋰硫電池在實際應(yīng)用中，易溶于電解液的多硫化物(中間產(chǎn)物)形成“穿梭效應(yīng)”會直接導(dǎo)致差的電池循環(huán)壽命。因此，如何抑制多硫化物的穿梭在鋰硫電池正極研究中至關(guān)重要。
所謂穿梭效應(yīng)，指的是在充放電過程中，正極產(chǎn)生的多硫化物(Li2Sx)中間體溶解到電解液中，并穿過隔膜，向負極擴散，與負極的金屬鋰直接發(fā)生反應(yīng)，最終造成了電池中有效物質(zhì)的不可逆損失、電池壽命的衰減、低的庫倫效率。
針對這一問題，近日，西安交大化工學(xué)院、長期從事新一代二次電池正極材料開發(fā)與應(yīng)用的李明濤課題組，創(chuàng)造性地設(shè)計了一種二維插層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負極之間構(gòu)建了多層“防鯊網(wǎng)”，不僅能通過物理和化學(xué)雙重作用阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。
他們的研究成果對提升鋰硫電池電化學(xué)性能及進一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化具有理論指導(dǎo)意義。前不久，該成果發(fā)表在國際著名期刊《可持續(xù)能源材料化學(xué)》（ChemSusChem）上，并入選為封面文章。
不久之前，中科院大連化物所在鋰硫二次電池技術(shù)研發(fā)中取得新進展，所研制的能量型鋰硫電池的比能量經(jīng)第三方按照國軍標要求的安全測試，從之前的520Wh/kg、570Wh/kg到609Wh/kg，刷新了二次電池比能量在同領(lǐng)域的領(lǐng)先位置。此次新研制的能量型鋰硫電池，還展示出了優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性：在-20℃的環(huán)境中，放電比能量達到400Wh/kg;在-60℃的極寒環(huán)境中仍可工作，表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于鋰離子電池的低溫性能。此外，新研制的功率型鋰硫二次電池的持續(xù)放電倍率大于4C，脈沖可達10C。目前由中科院大連化物所研制開發(fā)的鋰硫電池組已完成了與太陽能無人機的全系統(tǒng)地面聯(lián)試，取得良好效果，通過了用戶驗收。
作為一種高效的儲能系統(tǒng)，從各種電子產(chǎn)品到電動汽車，再到電網(wǎng)規(guī)模化能量存儲的擴展應(yīng)用，鋰電池正在越來越多地參與到能源生態(tài)演變這一重要進程中。過去幾十年鋰離子電池(LIBs)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位，然而它的高成本和越來越接近理論極限的現(xiàn)狀以及在我國的十三五規(guī)劃中，提到的在2020年時將電池的容量提升到500Wh/kg，這些市場形勢和政策走向，使得學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在尋求超越鋰離子嵌入的新型化學(xué)儲能電池，以滿足不斷增長的能源需求。按照目前的進度來看，基于全新能量轉(zhuǎn)化機制的鋰硫(Li-S)電池摘得頭籌的可能性比較大。
