鋰硫電池應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題上取得了突破，獲得了長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰硫電池2021-04-09 08:45
近日，西安交大化工學(xué)院李明濤課題組在影響鋰硫電池應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題上取得了突破，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)的石墨烯保護(hù)層正極材料，獲得了長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰硫電池。
具體原理為，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(guò)物理和化學(xué)雙重用途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。
在我國(guó)，鋰硫電池的開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用非常少。鋰硫電池充放電過(guò)程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應(yīng)，也一直被視為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
曾任猛獅科技副總裁的李青海博士曾稱，多硫化物溶解穿梭是鋰硫電池最重要和最難解決的問(wèn)題，相關(guān)的改進(jìn)工作還處于起步階段，不過(guò)他看好鋰硫電池作為一種高能量密度二次電池，極具發(fā)展前景。
比較當(dāng)前主流的三元NCM鋰離子電池，擁有硫正極的電池理論比能量高達(dá)2600Wh/kg，是目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池的十倍以上。除此之外，硫具有元素儲(chǔ)量豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，一旦大規(guī)模應(yīng)用，將大大助推以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車價(jià)格下降。
2016年國(guó)家發(fā)改委在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度達(dá)到300Wh/kg的鋰硫電池技術(shù)。
作為比較，目前已經(jīng)批量應(yīng)用的動(dòng)力鋰電池，根據(jù)2017年公布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方法》，以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，單體比能量到2020年要達(dá)到300Wh/kg以上，到2025年要達(dá)到500Wh/kg。鋰硫電池的理論能量密度超過(guò)500Wh/kg，因此被視為繼鋰離子電池之后下一代動(dòng)力鋰電池體系的發(fā)展方向。
為解決鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，包括我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊(duì)、華南理工大學(xué)王海輝團(tuán)隊(duì)、中科院青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組、我國(guó)廈門大學(xué)化學(xué)家NanfengZheng團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊(duì)均作出了相關(guān)的突破。
2018年十月，我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊(duì)和王功名教授課題組發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價(jià)電子的p能帶中心相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的重要因素。研究人員發(fā)現(xiàn)了正極極化現(xiàn)象最小，而且倍率性能也最好的鈷基化合物載硫材料，甚至在40.0C的條件下，容量仍有417.3mAhg-1，對(duì)應(yīng)的是當(dāng)前最高的功率密度137.3kWkg-1。該研究成果發(fā)表在國(guó)際優(yōu)秀能源材料期刊《焦耳》雜志上。
鋰硫電池是一種以硫?yàn)殡姵卣龢O，金屬鋰作為電池負(fù)極的電池體系，在解決金屬Li負(fù)極易生成枝晶的安全性問(wèn)題上，上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊(duì)制備了一種新的鋰硫電池電解質(zhì)溶液（用雙氟磺酰亞胺鋰溶于磷酸三乙酯和高閃點(diǎn)氟代醚獲得了飽和電解液），與高濃度電解液相比，新的電解液成本低，粘度低而且增強(qiáng)了對(duì)金屬Li電極的保護(hù)，能夠有效清除Li電極的枝晶，從而清除可能存在的安全隱患，同時(shí)在60度以上高溫下提高了安全性和電化學(xué)性能。
除了科研領(lǐng)域，電池公司在積極需求技術(shù)突破中也將鋰硫電池作為技術(shù)儲(chǔ)備之一，上市公司中，中核鈦白、西藏城投、金路集團(tuán)、國(guó)軒高科、猛獅科技等均對(duì)鋰硫電池項(xiàng)目有所部署。
盡管鋰硫電池在實(shí)現(xiàn)理想能量密度的過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，不過(guò)關(guān)于一些關(guān)于電池輕薄性有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如對(duì)無(wú)人機(jī)、潛水艇、士兵背負(fù)的電源包等用途來(lái)說(shuō)，由于重量比價(jià)格或者壽命更加重要，鋰硫電池已經(jīng)開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用。位于英國(guó)的初創(chuàng)公司Oxis能源公司最新研發(fā)的鋰硫電池，和目前用于電動(dòng)汽車的鋰離子電池相比，每公斤可儲(chǔ)存近兩倍的能量。不過(guò)，它們持續(xù)的時(shí)間不是很長(zhǎng)，在約100次充放電循環(huán)后便會(huì)失靈。Oxis的小型試驗(yàn)廠以年產(chǎn)1萬(wàn)~2萬(wàn)節(jié)電池為目標(biāo)。據(jù)稱這些電池會(huì)被封裝在手機(jī)大小的薄袋子中。為何要盡快推動(dòng)動(dòng)力鋰離子電池再生循環(huán)利用？雖然我國(guó)鋰資源量位居全球第四，但由于鋰礦品位差、提純難度大、成本高，每年要進(jìn)口大量的鋰礦，對(duì)外依存度超過(guò)85%。而且我國(guó)需求還推動(dòng)了電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格的暴漲，幾年來(lái)漲幅接近3倍，極大加重了我國(guó)鋰離子電池制造公司的采購(gòu)成本。一方面，報(bào)廢的動(dòng)力鋰離子電池是寶貴的‘城市礦山’，金屬含量遠(yuǎn)高于礦石，將其中的鋰、鈷、鎳等有價(jià)金屬加以回收，再生利用，能夠提高資源利用效率，減少進(jìn)口，降低對(duì)外依存度，保護(hù)國(guó)家資源戰(zhàn)略的安全。張?zhí)烊握f(shuō)，另一方面，從防止污染保護(hù)環(huán)境的角度來(lái)說(shuō)，報(bào)廢鋰離子電池假如處理不當(dāng)，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的危害。
回收體系不健全、再生技術(shù)不成熟、激勵(lì)措施不給力是目前面對(duì)的三大重要問(wèn)題，為了更好地推動(dòng)新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池的再生利用、循環(huán)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，確保國(guó)家戰(zhàn)略資源的安全，促進(jìn)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，他從多個(gè)方面提出了建議。
加快制訂標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一管理規(guī)范，是開(kāi)展相關(guān)工作的基礎(chǔ)。他建議有關(guān)部門加快制訂報(bào)廢電池的回收及再生利用的管理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。鼓勵(lì)具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)編制新能源鋰離子電池監(jiān)管、回收、循環(huán)利用的規(guī)劃和執(zhí)行方法，通過(guò)先行先試，探索出更符合產(chǎn)業(yè)實(shí)際、更具可操作性的國(guó)家層面執(zhí)行方法。
深圳市恒創(chuàng)興電子科技有限公司是一家專業(yè)從事BMS電源管理系統(tǒng)、鋰電池保護(hù)板、儲(chǔ)能電池的開(kāi)發(fā)、集成、測(cè)試、銷售及相關(guān)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)，混合集成電路的技術(shù)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試及銷售一體的高新科技企業(yè)，電池保護(hù)板定制廠家。
具體原理為，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(guò)物理和化學(xué)雙重用途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。
在我國(guó)，鋰硫電池的開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚，仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用非常少。鋰硫電池充放電過(guò)程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應(yīng)，也一直被視為限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
曾任猛獅科技副總裁的李青海博士曾稱，多硫化物溶解穿梭是鋰硫電池最重要和最難解決的問(wèn)題，相關(guān)的改進(jìn)工作還處于起步階段，不過(guò)他看好鋰硫電池作為一種高能量密度二次電池，極具發(fā)展前景。
比較當(dāng)前主流的三元NCM鋰離子電池，擁有硫正極的電池理論比能量高達(dá)2600Wh/kg，是目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池的十倍以上。除此之外，硫具有元素儲(chǔ)量豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，一旦大規(guī)模應(yīng)用，將大大助推以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車價(jià)格下降。
2016年國(guó)家發(fā)改委在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度達(dá)到300Wh/kg的鋰硫電池技術(shù)。
作為比較，目前已經(jīng)批量應(yīng)用的動(dòng)力鋰電池，根據(jù)2017年公布的《促進(jìn)汽車動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方法》，以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，單體比能量到2020年要達(dá)到300Wh/kg以上，到2025年要達(dá)到500Wh/kg。鋰硫電池的理論能量密度超過(guò)500Wh/kg，因此被視為繼鋰離子電池之后下一代動(dòng)力鋰電池體系的發(fā)展方向。
為解決鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，包括我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊(duì)、華南理工大學(xué)王海輝團(tuán)隊(duì)、中科院青島能源所先進(jìn)儲(chǔ)能材料與技術(shù)研究組、我國(guó)廈門大學(xué)化學(xué)家NanfengZheng團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊(duì)均作出了相關(guān)的突破。
2018年十月，我國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)錢逸泰院士團(tuán)隊(duì)和王功名教授課題組發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價(jià)電子的p能帶中心相對(duì)費(fèi)米能級(jí)的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的重要因素。研究人員發(fā)現(xiàn)了正極極化現(xiàn)象最小，而且倍率性能也最好的鈷基化合物載硫材料，甚至在40.0C的條件下，容量仍有417.3mAhg-1，對(duì)應(yīng)的是當(dāng)前最高的功率密度137.3kWkg-1。該研究成果發(fā)表在國(guó)際優(yōu)秀能源材料期刊《焦耳》雜志上。
鋰硫電池是一種以硫?yàn)殡姵卣龢O，金屬鋰作為電池負(fù)極的電池體系，在解決金屬Li負(fù)極易生成枝晶的安全性問(wèn)題上，上海交通大學(xué)王久林研究團(tuán)隊(duì)制備了一種新的鋰硫電池電解質(zhì)溶液（用雙氟磺酰亞胺鋰溶于磷酸三乙酯和高閃點(diǎn)氟代醚獲得了飽和電解液），與高濃度電解液相比，新的電解液成本低，粘度低而且增強(qiáng)了對(duì)金屬Li電極的保護(hù)，能夠有效清除Li電極的枝晶，從而清除可能存在的安全隱患，同時(shí)在60度以上高溫下提高了安全性和電化學(xué)性能。
除了科研領(lǐng)域，電池公司在積極需求技術(shù)突破中也將鋰硫電池作為技術(shù)儲(chǔ)備之一，上市公司中，中核鈦白、西藏城投、金路集團(tuán)、國(guó)軒高科、猛獅科技等均對(duì)鋰硫電池項(xiàng)目有所部署。
盡管鋰硫電池在實(shí)現(xiàn)理想能量密度的過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，不過(guò)關(guān)于一些關(guān)于電池輕薄性有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如對(duì)無(wú)人機(jī)、潛水艇、士兵背負(fù)的電源包等用途來(lái)說(shuō)，由于重量比價(jià)格或者壽命更加重要，鋰硫電池已經(jīng)開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用。位于英國(guó)的初創(chuàng)公司Oxis能源公司最新研發(fā)的鋰硫電池，和目前用于電動(dòng)汽車的鋰離子電池相比，每公斤可儲(chǔ)存近兩倍的能量。不過(guò)，它們持續(xù)的時(shí)間不是很長(zhǎng)，在約100次充放電循環(huán)后便會(huì)失靈。Oxis的小型試驗(yàn)廠以年產(chǎn)1萬(wàn)~2萬(wàn)節(jié)電池為目標(biāo)。據(jù)稱這些電池會(huì)被封裝在手機(jī)大小的薄袋子中。為何要盡快推動(dòng)動(dòng)力鋰離子電池再生循環(huán)利用？雖然我國(guó)鋰資源量位居全球第四，但由于鋰礦品位差、提純難度大、成本高，每年要進(jìn)口大量的鋰礦，對(duì)外依存度超過(guò)85%。而且我國(guó)需求還推動(dòng)了電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格的暴漲，幾年來(lái)漲幅接近3倍，極大加重了我國(guó)鋰離子電池制造公司的采購(gòu)成本。一方面，報(bào)廢的動(dòng)力鋰離子電池是寶貴的‘城市礦山’，金屬含量遠(yuǎn)高于礦石，將其中的鋰、鈷、鎳等有價(jià)金屬加以回收，再生利用，能夠提高資源利用效率，減少進(jìn)口，降低對(duì)外依存度，保護(hù)國(guó)家資源戰(zhàn)略的安全。張?zhí)烊握f(shuō)，另一方面，從防止污染保護(hù)環(huán)境的角度來(lái)說(shuō)，報(bào)廢鋰離子電池假如處理不當(dāng)，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的危害。
回收體系不健全、再生技術(shù)不成熟、激勵(lì)措施不給力是目前面對(duì)的三大重要問(wèn)題，為了更好地推動(dòng)新能源汽車動(dòng)力鋰離子電池的再生利用、循環(huán)利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，確保國(guó)家戰(zhàn)略資源的安全，促進(jìn)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，他從多個(gè)方面提出了建議。
加快制訂標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一管理規(guī)范，是開(kāi)展相關(guān)工作的基礎(chǔ)。他建議有關(guān)部門加快制訂報(bào)廢電池的回收及再生利用的管理標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。鼓勵(lì)具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)編制新能源鋰離子電池監(jiān)管、回收、循環(huán)利用的規(guī)劃和執(zhí)行方法，通過(guò)先行先試，探索出更符合產(chǎn)業(yè)實(shí)際、更具可操作性的國(guó)家層面執(zhí)行方法。
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