什么是鋰硫電池？它有什么優(yōu)點(diǎn)？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-30 10:06
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鋰離子二次電池以其清潔高效、質(zhì)量輕、容量大等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備電源中。近年來(lái),隨著電動(dòng)車(chē)等大型動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)二次電池的需求逐漸向大功率、低成本邁進(jìn)，而且在能源和環(huán)境問(wèn)題的日益加劇下，綠色可再生資源成為研究的熱點(diǎn)。鋰離子電池是目前主流的儲(chǔ)能器件，但由于受限于有限且分布不均勻的鋰資源而使其價(jià)格居高不下，因此基于其他堿金屬離子的二次電池逐漸引起大家的關(guān)注。鈉和鉀在地殼中儲(chǔ)量豐富、成本更低，并且與鋰具有相似的電化學(xué)性質(zhì)。因此，發(fā)展鈉和鉀離子的二次電池替代鋰離子二次電池具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，鈉離子和鉀離子半徑大和質(zhì)量大，給電池電極材料與電解質(zhì)材料開(kāi)發(fā)提出新的挑戰(zhàn)。YanguangLi等人[1]提出用溶劑熱法制備了一種超薄VS2納米片分級(jí)結(jié)構(gòu)，具有原子級(jí)厚度，而且還可以同時(shí)作為鋰離子、鈉離子、鉀離子的電極材料（圖1），這是很少電極材料能做到的。他們還通過(guò)DFT計(jì)算證明了VS2的層狀結(jié)構(gòu)對(duì)堿金屬離子具有較大的吸附能和較低的遷移阻力。VS2有序的分級(jí)結(jié)構(gòu)具有良好的可逆容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，尤其是對(duì)鈉和鉀的儲(chǔ)能效果優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。
隨著電子產(chǎn)品使用的普及，電子垃圾將成為21世紀(jì)日益凸顯的問(wèn)題，隨之而起的瞬態(tài)可消失技術(shù)成為一個(gè)新興領(lǐng)域。儲(chǔ)能設(shè)備的瞬態(tài)可消失技術(shù)也變得尤其重要，鋰離子電池的瞬態(tài)可消失技術(shù)成為一個(gè)重要的研究方向。LiangbingHu的團(tuán)隊(duì)[2]制備了一種高容量的瞬態(tài)可消失鋰離子電池，傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料使用碳類(lèi)導(dǎo)電劑，很難溶解，導(dǎo)致正極材料很難瞬態(tài)消失，他們采用錫摻雜的五氧化二釩作為正極材料，無(wú)需添加導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，使得正極材料可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)消失，在堿溶液中8分鐘就可以完成溶解。而且采用錫摻雜的正極材料后，電池在5C的電流密度下充放電能夠達(dá)到0.27mAh/cm2的電量，穩(wěn)定充放電200個(gè)循環(huán)。瞬態(tài)可消失鋰離子電池的研究有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子器件的瞬態(tài)消失。
當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展面臨著一個(gè)問(wèn)題，那就是由于電池的質(zhì)量能量密度較低，使得電動(dòng)汽車(chē)上的電池又大又重，因此每一輛電動(dòng)汽車(chē)安裝上去的電池?cái)?shù)量都很有限，且充電時(shí)間比較長(zhǎng)。因此需要開(kāi)發(fā)高能量密度的新型電池。從目前技術(shù)上來(lái)看，理論能量密度最高的兩個(gè)體系是鋰硫電池和鋰空氣電池，這兩類(lèi)電池的質(zhì)量能量密度均超過(guò)500Wh/Kg，能夠較好地提升電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程數(shù)。
鋰硫電池因?yàn)槠渚哂懈呷萘浚?673mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg、2800Wh/L）、活性物質(zhì)硫來(lái)源廣泛且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)迅速成為了世界各國(guó)研究者的研究熱點(diǎn)，這些明顯的優(yōu)越性使得鋰硫電池作為下一代高能量密度二次電池有著巨大的研究潛力和應(yīng)用前景。但硫及硫化鋰導(dǎo)電率低、中間產(chǎn)物聚硫化物在有機(jī)電解液中高度溶解、穿梭反應(yīng)等缺點(diǎn)，因此有效提高正極材料硫的負(fù)載量、實(shí)現(xiàn)其高效利用是推動(dòng)鋰硫電池技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。XiuleiJi&KhalilAmine等人[3]報(bào)道了一種正極材料，是將金屬鋰在CS2蒸汽中燃燒，制備得到高結(jié)晶度的包裹了石墨烯層的Li2S的納米顆粒（Li2S@graphene納米膠囊），構(gòu)成一種核殼結(jié)構(gòu)。這種納米膠囊結(jié)構(gòu)有著很多優(yōu)點(diǎn)：Li2S阻止了體積膨脹；沒(méi)有石墨烯層存在就不會(huì)形成Li2S納米顆粒；石墨烯的導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)促進(jìn)電子和離子傳輸使得近乎所有的Li2S納米顆粒具有電化學(xué)活性；密實(shí)的石墨烯殼結(jié)構(gòu)保證了復(fù)合物結(jié)構(gòu)完整性，從而抑制循環(huán)過(guò)程中多硫化物的流失。文章中還結(jié)合TEM和DFT計(jì)算研究了該納米膠囊復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)抑制多硫化物流失的機(jī)理。
鋰硫電池中常用的醚類(lèi)電解液，對(duì)于反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化物的溶解度較低，導(dǎo)致電池中需要大量的電解液，限制了鋰硫電池的實(shí)際能量密度。提高電解液介電常數(shù)會(huì)增加多硫化物溶解度，但金屬鋰在這類(lèi)電解液中的穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用。QiangZhang團(tuán)隊(duì)[4]提出一種基于負(fù)極穩(wěn)定的自由基反應(yīng)新途徑，發(fā)現(xiàn)基于四甲基脲的高介電常數(shù)的電解液，與高度活潑的金屬鋰兼容性好，200個(gè)循環(huán)后依然對(duì)金屬鋰負(fù)極具有較好的穩(wěn)定性，且不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的溶劑分解反應(yīng)。在S3??自由基負(fù)離子的存在下，多硫化合物短鏈的高溶解性有利于提高正極活性物質(zhì)的利用率，促進(jìn)硫化鋰的沉積，減緩硫化鋰對(duì)正極材料的鈍化，使得電池能夠獲得1524mAh/g的放電容量和324Wh/Kg的能量密度。
隨著電子產(chǎn)品使用的普及，電子垃圾將成為21世紀(jì)日益凸顯的問(wèn)題，隨之而起的瞬態(tài)可消失技術(shù)成為一個(gè)新興領(lǐng)域。儲(chǔ)能設(shè)備的瞬態(tài)可消失技術(shù)也變得尤其重要，鋰離子電池的瞬態(tài)可消失技術(shù)成為一個(gè)重要的研究方向。LiangbingHu的團(tuán)隊(duì)[2]制備了一種高容量的瞬態(tài)可消失鋰離子電池，傳統(tǒng)的鋰離子電池正極材料使用碳類(lèi)導(dǎo)電劑，很難溶解，導(dǎo)致正極材料很難瞬態(tài)消失，他們采用錫摻雜的五氧化二釩作為正極材料，無(wú)需添加導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，使得正極材料可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)消失，在堿溶液中8分鐘就可以完成溶解。而且采用錫摻雜的正極材料后，電池在5C的電流密度下充放電能夠達(dá)到0.27mAh/cm2的電量，穩(wěn)定充放電200個(gè)循環(huán)。瞬態(tài)可消失鋰離子電池的研究有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子器件的瞬態(tài)消失。
當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展面臨著一個(gè)問(wèn)題，那就是由于電池的質(zhì)量能量密度較低，使得電動(dòng)汽車(chē)上的電池又大又重，因此每一輛電動(dòng)汽車(chē)安裝上去的電池?cái)?shù)量都很有限，且充電時(shí)間比較長(zhǎng)。因此需要開(kāi)發(fā)高能量密度的新型電池。從目前技術(shù)上來(lái)看，理論能量密度最高的兩個(gè)體系是鋰硫電池和鋰空氣電池，這兩類(lèi)電池的質(zhì)量能量密度均超過(guò)500Wh/Kg，能夠較好地提升電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程數(shù)。
鋰硫電池因?yàn)槠渚哂懈呷萘浚?673mAh/g）、高能量密度（2500Wh/kg、2800Wh/L）、活性物質(zhì)硫來(lái)源廣泛且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)迅速成為了世界各國(guó)研究者的研究熱點(diǎn)，這些明顯的優(yōu)越性使得鋰硫電池作為下一代高能量密度二次電池有著巨大的研究潛力和應(yīng)用前景。但硫及硫化鋰導(dǎo)電率低、中間產(chǎn)物聚硫化物在有機(jī)電解液中高度溶解、穿梭反應(yīng)等缺點(diǎn)，因此有效提高正極材料硫的負(fù)載量、實(shí)現(xiàn)其高效利用是推動(dòng)鋰硫電池技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。XiuleiJi&KhalilAmine等人[3]報(bào)道了一種正極材料，是將金屬鋰在CS2蒸汽中燃燒，制備得到高結(jié)晶度的包裹了石墨烯層的Li2S的納米顆粒（Li2S@graphene納米膠囊），構(gòu)成一種核殼結(jié)構(gòu)。這種納米膠囊結(jié)構(gòu)有著很多優(yōu)點(diǎn)：Li2S阻止了體積膨脹；沒(méi)有石墨烯層存在就不會(huì)形成Li2S納米顆粒；石墨烯的導(dǎo)電框架結(jié)構(gòu)促進(jìn)電子和離子傳輸使得近乎所有的Li2S納米顆粒具有電化學(xué)活性；密實(shí)的石墨烯殼結(jié)構(gòu)保證了復(fù)合物結(jié)構(gòu)完整性，從而抑制循環(huán)過(guò)程中多硫化物的流失。文章中還結(jié)合TEM和DFT計(jì)算研究了該納米膠囊復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)抑制多硫化物流失的機(jī)理。
鋰硫電池中常用的醚類(lèi)電解液，對(duì)于反應(yīng)中間產(chǎn)物多硫化物的溶解度較低，導(dǎo)致電池中需要大量的電解液，限制了鋰硫電池的實(shí)際能量密度。提高電解液介電常數(shù)會(huì)增加多硫化物溶解度，但金屬鋰在這類(lèi)電解液中的穩(wěn)定性差，限制了其應(yīng)用。QiangZhang團(tuán)隊(duì)[4]提出一種基于負(fù)極穩(wěn)定的自由基反應(yīng)新途徑，發(fā)現(xiàn)基于四甲基脲的高介電常數(shù)的電解液，與高度活潑的金屬鋰兼容性好，200個(gè)循環(huán)后依然對(duì)金屬鋰負(fù)極具有較好的穩(wěn)定性，且不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的溶劑分解反應(yīng)。在S3??自由基負(fù)離子的存在下，多硫化合物短鏈的高溶解性有利于提高正極活性物質(zhì)的利用率，促進(jìn)硫化鋰的沉積，減緩硫化鋰對(duì)正極材料的鈍化，使得電池能夠獲得1524mAh/g的放電容量和324Wh/Kg的能量密度。
