鋰硫電池應用的瓶頸問題上取得了突破，獲得了長循環(huán)壽命的鋰硫電池2021-04-09 08:45
近日，西安交大化工學院李明濤課題組在影響鋰硫電池應用的瓶頸問題上取得了突破，設計開發(fā)了一種具有二維結(jié)構(gòu)的石墨烯保護層正極材料，獲得了長循環(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，如同在電池正負極之間構(gòu)建了多層防鯊網(wǎng)，不僅能通過物理和化學雙重用途阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。
在我國，鋰硫電池的開發(fā)相對較晚，仍處于實驗室研發(fā)階段，實際應用非常少。鋰硫電池充放電過程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應，也一直被視為限制其實際應用的關(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題，相關(guān)的改進工作還處于起步階段，不過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2600Wh/kg，是目前廣泛應用的鋰離子電池的十倍以上。除此之外，硫具有元素儲量豐富、成本低廉等優(yōu)點，一旦大規(guī)模應用，將大大助推以鋰離子電池為動力的電動汽車價格下降。
2016年國家發(fā)改委在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度達到300Wh/kg的鋰硫電池技術(shù)。
作為比較，目前已經(jīng)批量應用的動力鋰電池，根據(jù)2017年公布的《促進汽車動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》，以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，單體比能量到2020年要達到300Wh/kg以上，到2025年要達到500Wh/kg。鋰硫電池的理論能量密度超過500Wh/kg，因此被視為繼鋰離子電池之后下一代動力鋰電池體系的發(fā)展方向。
為解決鋰硫電池的實際應用問題，包括我國科學技術(shù)大學錢逸泰院士團隊、華南理工大學王海輝團隊、中科院青島能源所先進儲能材料與技術(shù)研究組、我國廈門大學化學家NanfengZheng團隊以及上海交通大學王久林研究團隊均作出了相關(guān)的突破。
2018年十月，我國科學技術(shù)大學錢逸泰院士團隊和王功名教授課題組發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價電子的p能帶中心相對費米能級的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應動力學性質(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，對應的是當前最高的功率密度137.3kWkg-1。該研究成果發(fā)表在國際優(yōu)秀能源材料期刊《焦耳》雜志上。
鋰硫電池是一種以硫為電池正極，金屬鋰作為電池負極的電池體系，在解決金屬Li負極易生成枝晶的安全性問題上，上海交通大學王久林研究團隊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，粘度低而且增強了對金屬Li電極的保護，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，同時在60度以上高溫下提高了安全性和電化學性能。
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)儲備之一，上市公司中，中核鈦白、西藏城投、金路集團、國軒高科、猛獅科技等均對鋰硫電池項目有所部署。
盡管鋰硫電池在實現(xiàn)理想能量密度的過程中還存在一些問題，不過關(guān)于一些關(guān)于電池輕薄性有較高要求的應用領(lǐng)域，例如對無人機、潛水艇、士兵背負的電源包等用途來說，由于重量比價格或者壽命更加重要，鋰硫電池已經(jīng)開始得到實際應用。位于英國的初創(chuàng)公司Oxis能源公司最新研發(fā)的鋰硫電池，和目前用于電動汽車的鋰離子電池相比，每公斤可儲存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時間不是很長，在約100次充放電循環(huán)后便會失靈。Oxis的小型試驗廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標。據(jù)稱這些電池會被封裝在手機大小的薄袋子中。為何要盡快推動動力鋰離子電池再生循環(huán)利用？雖然我國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，每年要進口大量的鋰礦，對外依存度超過85%。而且我國需求還推動了電池級碳酸鋰價格的暴漲，幾年來漲幅接近3倍，極大加重了我國鋰離子電池制造公司的采購成本。一方面，報廢的動力鋰離子電池是寶貴的‘城市礦山’，金屬含量遠高于礦石，將其中的鋰、鈷、鎳等有價金屬加以回收，再生利用，能夠提高資源利用效率，減少進口，降低對外依存度，保護國家資源戰(zhàn)略的安全。張?zhí)烊握f，另一方面，從防止污染保護環(huán)境的角度來說，報廢鋰離子電池假如處理不當，也會對生態(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、激勵措施不給力是目前面對的三大重要問題，為了更好地推動新能源汽車動力鋰離子電池的再生利用、循環(huán)利用，保護生態(tài)環(huán)境，確保國家戰(zhàn)略資源的安全，促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，他從多個方面提出了建議。
加快制訂標準，統(tǒng)一管理規(guī)范，是開展相關(guān)工作的基礎。他建議有關(guān)部門加快制訂報廢電池的回收及再生利用的管理標準、技術(shù)標準和評價標準。鼓勵具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的地區(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，通過先行先試，探索出更符合產(chǎn)業(yè)實際、更具可操作性的國家層面執(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)、鋰電池保護板、儲能電池的開發(fā)、集成、測試、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)開發(fā)、生產(chǎn)、測試及銷售一體的高新科技企業(yè)，電池保護板定制廠家。
具體原理為，二維插層結(jié)構(gòu)的g-C3N4/石墨烯夾層，如同在電池正負極之間構(gòu)建了多層防鯊網(wǎng)，不僅能通過物理和化學雙重用途阻擋多硫化物在正負極之間穿梭，還能加快鋰離子的擴散，從而大大提升電池的循環(huán)壽命。
在我國，鋰硫電池的開發(fā)相對較晚，仍處于實驗室研發(fā)階段，實際應用非常少。鋰硫電池充放電過程中間產(chǎn)物多硫化鋰的溶解引起穿梭效應，也一直被視為限制其實際應用的關(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題，相關(guān)的改進工作還處于起步階段，不過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2600Wh/kg，是目前廣泛應用的鋰離子電池的十倍以上。除此之外，硫具有元素儲量豐富、成本低廉等優(yōu)點，一旦大規(guī)模應用，將大大助推以鋰離子電池為動力的電動汽車價格下降。
2016年國家發(fā)改委在《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度達到300Wh/kg的鋰硫電池技術(shù)。
作為比較，目前已經(jīng)批量應用的動力鋰電池，根據(jù)2017年公布的《促進汽車動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方法》，以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，單體比能量到2020年要達到300Wh/kg以上，到2025年要達到500Wh/kg。鋰硫電池的理論能量密度超過500Wh/kg，因此被視為繼鋰離子電池之后下一代動力鋰電池體系的發(fā)展方向。
為解決鋰硫電池的實際應用問題，包括我國科學技術(shù)大學錢逸泰院士團隊、華南理工大學王海輝團隊、中科院青島能源所先進儲能材料與技術(shù)研究組、我國廈門大學化學家NanfengZheng團隊以及上海交通大學王久林研究團隊均作出了相關(guān)的突破。
2018年十月，我國科學技術(shù)大學錢逸泰院士團隊和王功名教授課題組發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價電子的p能帶中心相對費米能級的位置是影響Li-S電池界面電子轉(zhuǎn)移反應動力學性質(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，對應的是當前最高的功率密度137.3kWkg-1。該研究成果發(fā)表在國際優(yōu)秀能源材料期刊《焦耳》雜志上。
鋰硫電池是一種以硫為電池正極，金屬鋰作為電池負極的電池體系，在解決金屬Li負極易生成枝晶的安全性問題上，上海交通大學王久林研究團隊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，粘度低而且增強了對金屬Li電極的保護，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，同時在60度以上高溫下提高了安全性和電化學性能。
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)儲備之一，上市公司中，中核鈦白、西藏城投、金路集團、國軒高科、猛獅科技等均對鋰硫電池項目有所部署。
盡管鋰硫電池在實現(xiàn)理想能量密度的過程中還存在一些問題，不過關(guān)于一些關(guān)于電池輕薄性有較高要求的應用領(lǐng)域，例如對無人機、潛水艇、士兵背負的電源包等用途來說，由于重量比價格或者壽命更加重要，鋰硫電池已經(jīng)開始得到實際應用。位于英國的初創(chuàng)公司Oxis能源公司最新研發(fā)的鋰硫電池，和目前用于電動汽車的鋰離子電池相比，每公斤可儲存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時間不是很長，在約100次充放電循環(huán)后便會失靈。Oxis的小型試驗廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標。據(jù)稱這些電池會被封裝在手機大小的薄袋子中。為何要盡快推動動力鋰離子電池再生循環(huán)利用？雖然我國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，每年要進口大量的鋰礦，對外依存度超過85%。而且我國需求還推動了電池級碳酸鋰價格的暴漲，幾年來漲幅接近3倍，極大加重了我國鋰離子電池制造公司的采購成本。一方面，報廢的動力鋰離子電池是寶貴的‘城市礦山’，金屬含量遠高于礦石，將其中的鋰、鈷、鎳等有價金屬加以回收，再生利用，能夠提高資源利用效率，減少進口，降低對外依存度，保護國家資源戰(zhàn)略的安全。張?zhí)烊握f，另一方面，從防止污染保護環(huán)境的角度來說，報廢鋰離子電池假如處理不當，也會對生態(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、激勵措施不給力是目前面對的三大重要問題，為了更好地推動新能源汽車動力鋰離子電池的再生利用、循環(huán)利用，保護生態(tài)環(huán)境，確保國家戰(zhàn)略資源的安全，促進我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，他從多個方面提出了建議。
加快制訂標準，統(tǒng)一管理規(guī)范，是開展相關(guān)工作的基礎。他建議有關(guān)部門加快制訂報廢電池的回收及再生利用的管理標準、技術(shù)標準和評價標準。鼓勵具有產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的地區(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，通過先行先試，探索出更符合產(chǎn)業(yè)實際、更具可操作性的國家層面執(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)、鋰電池保護板、儲能電池的開發(fā)、集成、測試、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)開發(fā)、生產(chǎn)、測試及銷售一體的高新科技企業(yè)，電池保護板定制廠家。
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