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动力电池发展瓶颈被攻克 比能量超高

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  • 时间:2019-03-15
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  具有能量密度高、容量大、环保、廉价等特点的锂硫电池被称为是继锂离子电池之后下一代动力电池体系的发展方向。


  近日,西安交大化工学院李明涛课题组在影响锂硫电池应用的瓶颈问题上取得了突破,设计开发了一种具有二维结构的石墨烯保护层正极材料,获得了长循环寿命的锂硫电池。


  具体原理为,二维插层结构的g-C3N4/石墨烯夹层,如同在电池正负极之间构建了多层“防鲨网”,不仅能通过物理和化学双重作用阻挡多硫化物在正负极之间穿梭,还能加快锂离子的扩散,从而大大提升电池的循环寿命。


  在我国,锂硫电池的开发相对较晚,仍处于实验室研发阶段,实际应用非常少。锂硫电池充放电过程中间产物多硫化锂的溶解引起穿梭效应,也一直被视为限制其实际应用的关键因素。


  曾任猛狮科技副总裁的李青海博士曾称,多硫化物溶解穿梭是锂硫电池最重要和最难解决的问题,相关的改进工作还处于起步阶段,不过他看好锂硫电池作为一种高能量密度二次电池,极具发展前景。


  对比当前主流的三元NCM锂离子电池,拥有硫正极的电池理论比能量高达2600Wh/kg,是目前广泛应用的锂离子电池的十倍以上。除此之外,硫具有元素储量丰富、成本低廉等优点,一旦大规模应用,将大大助推以锂电池为动力的电动汽车价格下降。


  2016年国家发改委在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中提出,要突破能量密度达到300Wh/kg的锂硫电池技术。


  作为对比,目前已经批量应用的动力电池,根据2017年发布的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》,以及《汽车产业中长期发展规划》,单体比能量到2020年要达到300Wh/kg以上,到2025年要达到500Wh/kg。锂硫电池的理论能量密度超过500Wh/kg,因此被视为继锂离子电池之后下一代动力电池体系的发展方向。


  为解决锂硫电池的实际应用问题,包括中国科学技术大学钱逸泰院士团队、华南理工大学王海辉团队、中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组、中国厦门大学化学家Nanfeng Zheng团队以及上海交通大学王久林研究团队均作出了相关的突破。


  2018年10月,中国科学技术大学钱逸泰院士团队和王功名教授课题组发现钴基化合物中阴离子的价电子的p能带中心相对费米能级的位置是影响Li-S电池界面电子转移反应动力学性质的主要因素。研究人员发现了正极极化现象最小,而且倍率性能也最好的钴基化合物载硫材料,甚至在40.0 C的条件下,容量仍有417.3 mA h g-1,对应的是当前最高的功率密度137.3 kW kg-1。该研究成果发表在国际顶级能源材料期刊《焦耳》杂志上。


  锂硫电池是一种以硫为电池正极,金属锂作为电池负极的电池体系,在解决金属Li负极易生成枝晶的安全性问题上,上海交通大学王久林研究团队制备了一种新的锂硫电池电解质溶液(用双氟磺酰亚胺锂溶于磷酸三乙酯和高闪点氟代醚获得了饱和电解液),与高浓度电解液相比,新的电解液成本低,粘度低而且增强了对金属Li电极的保护,能够有效清除Li电极的枝晶,从而清除可能存在的安全隐患,同时在60度以上高温下提高了安全性和电化学性能。


  除了科研领域,电池公司在积极需求技术突破中也将锂硫电池作为技术储备之一,上市公司中,中核钛白、西藏城投、金路集团、国轩高科、猛狮科技等均对锂硫电池项目有所部署。


  尽管锂硫电池在实现理想能量密度的过程中还存在一些问题,不过对于一些对于电池轻薄性有较高要求的应用领域,例如对无人机、潜水艇、士兵背负的电源包等用途来说,由于重量比价格或者寿命更加重要,锂硫电池已经开始得到实际应用。位于英国的初创公司Oxis能源公司最新研发的锂硫电池,和目前用于电动汽车的锂离子电池相比,每公斤可储存近两倍的能量。不过,它们持续的时间不是很长,在约100次充放电循环后便会失灵。Oxis的小型试验工厂以年产1万~2万节电池为目标。据称这些电池会被封装在手机大小的薄袋子中。 能见App

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