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物理所等高體積和重量能量密度鋰-硫電池研究獲進(jìn)展


來(lái)源:物理研究所

[導(dǎo)讀]  鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一,受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,,是未來(lái)各國(guó)布局的重點(diǎn)研究方向之一。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一,,受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注,是未來(lái)各國(guó)布局的重點(diǎn)研究方向之一,。但隨著研究的不斷深入,,鋰硫電池也面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前存在的主要問(wèn)題是鋰硫電池的體積能量密度較低,,導(dǎo)致其在很多重要的市場(chǎng)應(yīng)用中失去競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)高電解液用量也成為其重量能量密度提高的瓶頸,。主要原因在于硫是離子和電子絕緣體,,因此正極中的硫需要大量非活性物質(zhì)來(lái)發(fā)揮容量。一方面,,需要加入大量高比表面積的碳(通常>30%)來(lái)保證電極良好的電子電導(dǎo),,導(dǎo)致電極孔隙率通常>70% (商業(yè)化鋰離子電池正極:<40%),這就使鋰硫電池的體積能量密度大打折扣。另一方面,,高氣孔率需要大量電解液浸潤(rùn)和溶解中間產(chǎn)物來(lái)保證電極的離子電導(dǎo)(電解液活性物質(zhì)比:>3 uL/mg,,商業(yè)化鋰離子電池通常<0.5 uL/mg),從而大大限制了鋰硫電池的重量能量密度,。因此,,當(dāng)前制約鋰硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負(fù)載條件下(10 mg/cm2),實(shí)現(xiàn)低電解液用量,、高電極密度及低非活性物質(zhì)含量,。


  中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組副研究員索鎏敏 (Liumin Suo) 與美國(guó)麻省理工學(xué)院教授李巨(Ju Li)和博士薛偉江 (Weijiang Xue) 合作針對(duì)目前鋰硫電池存在的共性問(wèn)題——電池器件級(jí)別能量密度不高的問(wèn)題,創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極,,使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10 mg/cm2),,含碳量降低到小于10 wt%,電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2 μL mg-1,,電極孔隙率低于55 %,。采用此新型混合電極的安時(shí)級(jí)軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度(581 Wh/L)和重量能量密度(366 Wh/kg),,為未來(lái)開發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案(圖1),。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上(Nature Energy,,2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0351-0),文章題目為Intercalation-conversion hybrid cathodes enabling Li–S full-cell architectures with jointly superior gravimetric and volumetric energy densities,。


  相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFB0104400),、國(guó)家自然科學(xué)基金委(51872322)等的支持。




    圖1. 高體積和重量能量密度的嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極的設(shè)計(jì)思路(嵌入式電極材料:Mo6S8, 轉(zhuǎn)化型電極材料:S8),。




    圖2. 嵌入-轉(zhuǎn)化混合正極HMSC(活性物質(zhì)Mo6S8+S8 含量85%,,導(dǎo)電碳含量10%) 與C-S8復(fù)合電極對(duì)比示意圖和真實(shí)電極SEM圖片。注:負(fù)載量12.3 mg/cm2的HMSC電極厚度為121 μm遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)載量只有6.2 mg/cm2的C-S復(fù)合電極,,因此使得該類電極材料在電極級(jí)別上重量和體積能量密度占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),。




    圖3. 嵌鋰LixMo6S8與中間產(chǎn)物多硫離子Li2S4相互作用機(jī)理研究。(a) 循環(huán)伏安曲線,;(b) 多硫離子吸附實(shí)驗(yàn),;(c) 原位XRD 表征;(d) DFT 多硫離子吸附能計(jì)算,;(e) Mo6S8嵌鋰前后對(duì)多硫離子吸附能的變化,。注:實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明嵌鋰后的LixMo6S8 較未嵌鋰的Mo6S8在對(duì)多硫離子的吸附性能上有明顯提高。




    圖4. Mo6S8在HMSC電極中的作用機(jī)理,。注:步驟 I: 在硫還原之前預(yù)嵌鋰(> 2.4 V); 步驟 II: 嵌鋰后的LixMo6S8具有雙功能: I) 吸附多硫離子從而抑制多硫離子穿梭效應(yīng)和II) 提供電子和離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)從而起到替代碳的作用,。




    圖5. HMSC型扣式電池性能 (HMSC: 6.2 mg cm-2 S8 + 6.1 mg cm-2 Mo6S8, 電解液活性物質(zhì)比:2.4 μL mg-1)。(a) 充放電曲線 (b) 倍率性能 (c) 循環(huán)壽命和庫(kù)倫效率,。




    圖6. HMSC型鋰硫全電池性能,。(a) 鋰硫扣式電池 (6.9 mg cm-2 S + 6.8 mg cm-2 Mo6S8,電解液活性物質(zhì)比~1.5 μL mg-1),;(b) 鋰硫軟包全電池(電解液活性物質(zhì)比~1.2 μL mg-1,,~2倍金屬鋰過(guò)量);(c) 鋰硫電池全電池能量密度對(duì)比圖,。注:圖c為扣式電池實(shí)驗(yàn)參數(shù)推算的能量密度和安時(shí)級(jí)軟包全電池的真實(shí)能量密度,。


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉)

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