化學所在鋰硫電池研發方面取得系列尋常翻滾進

文章来源:文迪 时间:2018-12-26

  化學所在鋰硫電池研發方面取得系列尋常翻滾進展

  隨著電動汽車、便攜式電子設備和傢用儲能電源的蓬勃發展,迫切需求開發高比能量二次電池體系。鋰硫電池由於具有高達2600 Wh/kg的理論質量比能量而成為当前該領域的研讨前沿與熱點。

  最近,在先導專項、科技部、國傢自然科學基金委和的全力撑腰下,化學研讨所分子隨著環球節能減排趨向的開展,新動力車已成為各大車企重點開展的范疇之一,中國的新動力汽車市場也隨之升溫納米結構與納米技術院重點實驗室研讨員郭玉國課題組科研人員在金屬鋰負極與硫正極相關基礎研讨,及鋰硫軟包電池工程技術研發方面获得系列進展(J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510;Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186; J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2215; Nat. Commun., 2015, 6: 8058, doi:10.1038/ncomms9058)。

  該課題組研讨人員長期努力於高效、穩定的高比能鋰硫電池原料研讨。后期研讨任务中,他們針對鋰硫電池中常規環狀S8分子正極原料充放電過程中构成易溶性多硫離子,形成硫正極的循環功能極差的問題,從硫分子結構設計出發,提出通過構築鏈狀小硫分子從基本上解決這一多硫離子溶出難題的新思想,並通過納米孔道的空間限域效應實現瞭十分規、亞穩態小硫分子的篩選和穩定化,制備出比容量高、倍率功能優良、循環功能優異的硫碳正極原料 (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510)。近期,他們在空間限域鏈狀硫分子的電化學鋰化/去鋰化反應機理研讨方面又获得新進展,研讨結果發表在近期的J. Am. Chem. Soc.(2015, 137, 2215−2218)雜志上。

  他們將一維的鏈狀硫分子限制在碳納米管中,胜利制得瞭研讨鏈狀硫分子電化學功能的模型體系。通過系統深化的原位和半原位研讨發現,碳納米管限域的鏈狀硫經歷一種新奇的電化學反應過程,硫鏈在反應中縮短,電化學功能自發優化,并且反應接近於固相反應,從而无效幸免瞭硫正極中間產物的溶出問題(圖1)。在提醒瞭其循環穩定的內在機制坐在曙光派出所辦案區近程視頻會晤室裡 ,韓嘉毅與嫌疑人停止瞭半個多小時的會晤 ,而在以往,要從市內到位於海淀區蘇傢坨的看管所,往復旅程工夫就要2個多小時,還不包括排隊守候的工夫的基礎上,他們提出使用“雙功用核-殼結構介-微孔碳載體”用於高效、穩定的高容量硫碳復合正極原料的感性設計方案。通過這一方案,既进步瞭硫的裝載量,又无效限制瞭多硫化物的溶出,實現瞭可缩小制備的硫正極原料技術解決方案 。

  除瞭硫正極外,金屬鋰負極也是鋰硫電池能否實際應用的關鍵。針對充放電過程中金屬鋰負極的不均勻溶解和沉積(即枝晶)問題,他們提出使用三維納米銅集流體來引導金屬鋰在三維電極內部的均勻沉積與溶解的思想,胜利實現瞭負極外貌金屬鋰枝晶的操纵 。相關結果近日發表在Nat. Commun.(2015, 6, 8058)雜志上 。

  研讨标明,當采纳具有亞微米骨架、高比外貌積的三維銅箔用於金屬鋰的沉積時,鋰負極次要沉積在三維銅箔的孔道內(> 98%),電極外貌鋰枝晶的生長失掉瞭无效抑制(圖2)。相比於平坦銅集流體上的鋰負極,限制在三維納米銅集流體中的金屬鋰負極可連續任务好幾百小時以上而不短路,鋰的沉積效率大幅进步;電池的壽命、穩定性和安定性也失掉瞭顯著提升 。這一發現提醒瞭鋰負極集流體的作用,對設計實用的金屬鋰負極具有重要的指導意義 。

  在上述基礎研讨的基礎上,研讨人員還著力於鋰硫電池工程技術研發 。在戰略性先導科技專項“變革性納米制作產業技術聚焦”項目“長續航動力電池”的撑腰下,在化學所树立瞭鋰硫軟包電池組裝線,鋰硫軟包電池的各項功能指標均获得瞭重要進展。当前可批量制備單體容量為0.5-30Ah的差别規格鋰硫軟包電池,其能量密度可達350-450Wh/kg,循環次數大於50次。相關鋰硫軟包電池已於9月3日至5日在北京召開的第六屆中國國際納米科學技術會議(ChinaNANO 2015)上展出(圖3)  。

  

  

圖1 鏈狀硫分子在鋰硫電池中鋰化-去鋰化過程表示圖

  

  

圖2 金屬鋰在差别集流體中的沉積

  

  

圖3 差别規格鋰硫軟包電池