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锂硫电池高性能电解液材料研究获进展

亚洲流体网 发布时间:2017/7/27 8:52:46 浏览次数:472929 来源:亚洲铸造网编辑整理 我要投稿
【导读】 业内普遍将锂硫电池作为化学储能的未来发展方向,然而一直以来,锂硫电池面临多硫化锂“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”的关键挑战,科研人员往往使用硝酸锂添加剂来解决上述问题,但是硝酸锂、炭黑、单质硫共存的电池体系存在安全隐患

业内普遍将锂硫电池作为化学储能的未来发展方向,然而一直以来,锂硫电池面临多硫化锂“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”的关键挑战。科研人员往往使用硝酸锂添加剂来解决上述问题,但是硝酸锂、炭黑、单质硫共存的电池体系存在安全隐患。

锂硫电池高性能电解液材料研究获进展

锂硫电池高性能电解液材料研究获进展

不过,现在这一局面有望大幅改观。中科院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋和副研究员张洪章团队,设计、制备出一款不含硝酸锂的高性能电解液,实现了在锂硫电池器件中的应用,这给锂硫电池电解液材料的设计制备带来了新思路。

那么这款高性能电解液有哪些技术上的突破、锂硫电池的优势以及前景如何,围绕这些问题,记者专访了张华民。

高性能电解液问世

中国能源报:您所在的团队设计、制备出这款电解质溶液,其性能优势有哪些?

张华民:首先,自制电解液的安全性好。此前锂硫电池用的电解液含有大量的硝酸锂,其与碳硫复合物混合时,成分与“黑火药”类似,因此存在很大的燃爆隐患。我们团队研制的电解液不含硝酸锂,安全性更加优异。

其次,自制电解液的稳定性好。研发的电解液可以使锂硫电池连续稳定循环30次以上,按照一天充放电一次的使用模式,该电池可以确保无人飞机长达1个月的不间断飞行。这一性能属于目前公开报道的最好性能。

再次,自制电解液的容量发挥好。研发的电解液采用二氧戊环(DOL)作为溶剂,首次实现了较高的容量发挥,使锂硫电池在0.2C的快速充放电过程中依然达到350Wh/kg的能量密度。

中国能源报:取得电解液材料研究进展,前后用时多久?

张华民:电解液是决定锂硫电池性能的关键材料之一,是锂硫电池技术发展的瓶颈技术。自2013年10月,团队开始将电解液作为主要突破点,致力于开发出安全性好、使用寿命长的锂硫电池。到2016年8月,团队在电解液领域取得初步进展,研制出一类不含硝酸锂的高性能电解液,并在大容量(4—60Ah)锂硫电池中获得成功应用,研发历时2年零10个月。

技术攻关锂硫电池挑战

中国能源报:团队在电池技术方向上,专攻哪些技术方向?

张华民:目前,大连化物所储能技术研究部在电池领域的研究主要侧重三个方向:一是大规模、固定式电池储能技术,包括全钒液流电池、锌溴液流电池、锌镍液流电池及铅碳电池;二是高比能、动力电池技术,如锂硫电池。研究重点是开发电池关键材料,例如电解液、碳硫复合物、隔膜等。三是可在环境温度零下40℃—零上50℃运行的全天候,高能量密度、高放电倍率电池。

中国能源报:在锂硫电池领域,团队都做了哪些努力和突破?

张华民:研究团队以锂硫电池器件的产业化为目标,对限制锂硫电池发展的关键材料(正极、负极、隔膜、电解液)及关键技术(电极涂覆、电池装配、电池化成等)开展了细致的研究,并取得相应的突破。

例如,在正极材料方面,开发出比表面积2300m2/g,孔容为8cm3/g的高性能多孔碳材料,并通过自创的“相转化”成型工艺,制成具有独特“三连续”结构的锂硫电池电极;在隔膜材料方面,开发出具有纳米级离子传输孔道的离子选择透过隔膜;在电池器件方面,制成30Ah以上级锂硫一次电池,能量密度达到900Wh/kg以上。

中国能源报:锂硫电池目前在技术上还面临哪些瓶颈,下一步团队将在哪方面继续努力?

张华民:锂硫电池目前还存在很多技术挑战。我们团队将在三个方面继续努力:继续提高锂硫电池的循环使用寿命;继续提高锂硫电池的安全性;开发出能量密度超过1200Wh/kg的锂硫一次电池。

锂硫未来发展空间大

中国能源报:在业内看来,目前锂硫电池具有较高的能量密度和低廉的成本,是储能领域的重要研究方向,能具体谈谈吗?

张华民:首先看锂硫电池的能量密度。在已知的电池负极材料中,金属锂的电位最负、比容量较大。在已知的正极材料中,单质硫的电位适中、比容量也较大。锂硫电池是将金属锂和单质硫组成电池,其理论比能量可以达到2600Wh/kg,是目前商品化锂离子电池理论比能量的3—5倍。做成电芯产品后,锂硫电池的实际能量密度依然可以达到300—900Wh/kg的较高水平,而商品化锂离子动力电池的能量密度仅为100—200Wh/kg。即使将锂离子电池的负极换成金属锂,其能量密度依然大幅低于锂硫电池。因此,锂硫电池具有很大的技术吸引力,是当前储能领域的重要研究方向。

其次,关于锂硫电池的成本。材料成本低廉是锂硫电池的固有优势。根据现有产业化的电芯组成和工艺条件,可以估算不同电池电芯原材料成本价格。

对锂硫电池来说,正极材料主要为碳硫复合物,成本非常低,成本主要来自于金属锂和电解液。锂硫电池的电解液用量占电芯质量的30%—50%,是锂离子电池的2—3倍。随着电池正负极性能的提高,锂硫电池所需电解液的用量将大幅下降,成本会进一步降低。根据我们实验室6Ah软包装锂硫电池估算,电芯成本约为0.21元/Wh,与以金属锂为负极、以富锂锰材料为正极的金属锂离子电池相近,但是比目前商业化锂离子电池的成本低得多。

然而,用户在选择电池的过程中,考虑的不仅是其瓦时成本,还需要考虑其循环寿命。目前为止,美国SionPower公司(锂硫电池领军企业)开发的400Wh/kg的、以金属锂为负极的锂离子电池在160次循环的能量剩余为50%,这与以石墨为负极的锂离子电池数千次的循环寿命相差甚远。如果计算单次循环成本,锂硫电池的成本优势并不明显。因此,从使用成本的角度考虑,锂硫电池的循环寿命仍需要进一步提高。

中国能源报:目前锂硫电池还处于实验室阶段,在您看来,锂硫电池什么时候能实现量产,未来发展空间如何?

张华民:锂硫电池涉及很多技术问题,如循环寿命短、金属锂稳定性差、电解液易燃等。随着这些问题不断得到解决,锂硫电池的应用领域也将不断得到扩展。

目前,锂硫一次电池的比能量已经达到900Wh/kg,可以在一些领域获得应用。然而,锂硫二次电池的循环寿命还很短,还不到锂离子电池的1/10,尚需要经历相当长的发展历程。

从实用角度讲,锂硫电池有可能首先在对比能量要求较高的无人机等领域获得应用,并逐步向电动车领域扩展。该电池的发展空间很大,但技术挑战与发展机遇并存。


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