具有能量密度高、容量大、環(huán)保、廉價(jià)等特點(diǎn)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(jì)開發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)的石墨烯保護(hù)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(fù)極的一種鋰電池，作為一種高比能電池，具有價(jià)格低廉、儲備豐富、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，被譽(yù)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(dá)2600Wh/kg，遠(yuǎn)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(xiàng)之一。然而鋰硫電池在實(shí)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(fù)極擴(kuò)散，與負(fù)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(jì)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(fù)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(fù)極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴(kuò)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(jìn)一步實(shí)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(jìn)展，所研制的能量型鋰硫電池的比能量經(jīng)第三方按照特種要求的安全測試，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(dá)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(dá)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(jī)的全系統(tǒng)地面聯(lián)試，取得良好效果，通過了用戶驗(yàn)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(kuò)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(jìn)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(shí)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(jìn)度來看，基于全新能量轉(zhuǎn)化機(jī)制的鋰硫(Li-S)電池摘得頭籌的可能性比較大。

日前，中南大學(xué)賴延清教授團(tuán)隊(duì)的“高比能鋰硫電池技術(shù)”成果已經(jīng)以高達(dá)1.4億元總經(jīng)費(fèi)轉(zhuǎn)讓給中南新能源投資(深圳)有限公司，由該公司負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化實(shí)施。據(jù)悉，賴延清教授作為該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，還申報(bào)獲批了2018年度國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，預(yù)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施3年內(nèi)，將在國際上率先實(shí)現(xiàn)高比能(當(dāng)前電池的2倍以上)鋰硫電池的工程化制造與裝車應(yīng)用示范。

如此高昂的成果轉(zhuǎn)讓費(fèi)用在國內(nèi)高校中極為少見，但這也恰恰反映了當(dāng)前我國新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)界對破解新能源汽車?yán)m(xù)航里程“瓶頸”，盡快實(shí)現(xiàn)新材料和新技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的迫切需求。

除了科研院所在鋰硫電池技術(shù)研發(fā)上已經(jīng)投入了很多精力，目前國內(nèi)像猛獅科技、桑頓新能源和國軒高科等部分動力電池企業(yè)也在鋰硫電池技術(shù)研發(fā)上形成了一定的技術(shù)儲備。隨著鋰硫電池重要技術(shù)相繼獲得突破，以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動，鋰硫電池商業(yè)化進(jìn)程有望加速，率先布局相關(guān)技術(shù)的公司有望搶占市場先機(jī)。