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簡析鋰硫電池高性能電解液材料的研究獲進展

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年04月06日  

業內普遍將鋰硫電池作為化學儲能的未來發展方向,然而一直以來,鋰硫電池面對多硫化鋰飛梭效應和金屬鋰界面不穩定的關鍵挑戰。科研人員往往使用硝酸鋰添加劑來解決上述問題,但是硝酸鋰、炭黑、單質硫共存的電池體系存在安全隱患。


不過,現在這一局面有望大幅改觀。中科院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民、李先鋒和副研究員張洪章團隊,設計、制備出一款不含硝酸鋰的高性能電解液,實現了在鋰硫電池器件中的應用,這給鋰硫電池電解液材料的設計制備帶來了新思路。


那么這款高性能電解液有什么技術上的突破、鋰硫電池的優勢以及前景如何,圍繞這些問題,記者專訪了張華民。


首先,自制電解液的安全性好。此前鋰硫電池用的電解液含有大量的硝酸鋰,其與碳硫復合物混合時,成分與黑火藥類似,因此存在很大的燃爆隱患。我們團隊研制的電解液不含硝酸鋰,安全性更加優異。


其次,自制電解液的穩定性好。研發的電解液可以使鋰硫電池持續穩定循環30次以上,按照一天充放電一次的使用模式,該電池可以確保無人飛機長達1個月的不間斷飛行。這一性能屬于目前公開報道的最好性能。


再次,自制電解液的容量發揮好。研發的電解液采用二氧戊環(DOL)作為溶劑,首次實現了較高的容量發揮,使鋰硫電池在0.2C的快速充放電過程中依然達到350Wh/kg的能量密度。


電解液是決定鋰硫電池性能的關鍵材料之一,是鋰硫電池技術發展的瓶頸技術。自2013年十月,團隊開始將電解液作為重要突破點,致力于開發出安全性好、使用壽命長的鋰硫電池。到2016年八月,團隊在電解液領域取得初步進展,研制出一類不含硝酸鋰的高性能電解液,并在大容量(460Ah)鋰硫電池中獲得成功應用,研發歷時2年零10個月。


目前,大連化物所儲能技術研究部在電池領域的研究重要側重三個方向:一是大規模、固定式電池儲能技術,包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池及鉛碳電池;二是高比能、動力鋰電池技術,如鋰硫電池。研究重點是開發電池關鍵材料,例如電解液、碳硫復合物、隔膜等。三是可在環境溫度零下40℃零上50℃運行的全天候,高能量密度、高放電倍率電池。


研究團隊以鋰硫電池器件的產業化為目標,對限制鋰硫電池發展的關鍵材料(正極、負極、隔膜、電解液)及關鍵技術(電極涂覆、電池裝配、電池化成等)開展了細致的研究,并取得相應的突破。


例如,在正極材料方面,開發出比表面積2300m2/g,孔容為8cm3/g的高性能多孔碳材料,并通過自創的相轉化成型工藝,制成具有獨特三持續結構的鋰硫電池電極;在隔膜材料方面,開發出具有納米級離子傳輸孔道的離子選擇透過隔膜;在電池器件方面,制成30Ah以上級鋰硫一次電池,能量密度達到900Wh/kg以上。


鋰硫電池目前還存在很多技術挑戰。我們團隊將在三個方面繼續努力:繼續提高鋰硫電池的循環使用壽命;繼續提高鋰硫電池的安全性;開發出能量密度超過1200Wh/kg的鋰硫一次電池。首先看鋰硫電池的能量密度。在已知的電池負極材料中,金屬鋰的電位最負、比容量較大。在已知的正極材料中,單質硫的電位適中、比容量也較大。鋰硫電池是將金屬鋰和單質硫組成電池,其理論比能量可以達到2600Wh/kg,是目前商品化鋰離子電池理論比能量的35倍。做成電芯產品后,鋰硫電池的實際能量密度依然可以達到300900Wh/kg的較高水平,而商品化鋰離子動力鋰電池的能量密度僅為100200Wh/kg。即使將鋰離子電池的負極換成金屬鋰,其能量密度依然大幅低于鋰硫電池。因此,鋰硫電池具有很大的技術吸引力,是當前儲能領域的重要研究方向。


其次,有關鋰硫電池的成本。材料成本低廉是鋰硫電池的固有優勢。根據現有產業化的電芯組成和工藝條件,可以估算不同電池電芯原材料成本價格。


對鋰硫電池來說,正極材料重要為碳硫復合物,成本非常低,成本重要來自于金屬鋰和電解液。鋰硫電池的電解液用量占電芯質量的30%50%,是鋰離子電池的23倍。隨著電池正負極性能的提高,鋰硫電池所需電解液的用量將大幅下降,成本會進一步降低。根據我們實驗室6Ah軟包裝鋰硫電池估算,電芯成本約為0.21元/Wh,與以金屬鋰為負極、以富鋰錳材料為正極的金屬鋰離子電池相近,但是比目前商業化鋰離子電池的成本低得多。


然而,用戶在選擇電池的過程中,考慮的不僅是其瓦時成本,還要考慮其循環壽命。目前為止,美國SionPower公司(鋰硫電池領軍公司)開發的400Wh/kg的、以金屬鋰為負極的鋰離子電池在160次循環的能量剩余為50%,這與以石墨為負極的鋰離子電池數千次的循環壽命相差甚遠。假如計算單次循環成本,鋰硫電池的成本優勢并不明顯。因此,從使用成本的角度考慮,鋰硫電池的循環壽命仍要進一步提高。


鋰硫電池涉及很多技術問題,如循環壽命短、金屬鋰穩定性差、電解液易燃等。隨著這些問題不斷得到解決,鋰硫電池的應用領域也將不斷得到擴展。


目前,鋰硫一次電池的比能量已經達到900Wh/kg,可以在一些領域獲得應用。然而,鋰硫二次電池的循環壽命還很短,還不到鋰離子電池的1/10,尚要經歷相當長的發展歷程。


從實用角度講,鋰硫電池有可能首先在比較能量要求較高的無人機等領域獲得應用,并逐步向電動汽車領域擴展。該電池的發展空間很大,但技術挑戰與發展機遇并存。


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