新一代锂硫电池朝着商业化方向迈出重要一步

Techpai 4月 29, 2020 3.35w 浏览 0

锂硫电池被誉为电池技术的下一个重大进步，有望在一次充电的情况下大幅延长从手机到电动汽车的使用时间，同时比目前的锂离子电池更环保。然而，这些电池的寿命不如锂离子电池长，会随着时间的推移而退化。

德克萨斯大学奥斯汀分校Cockrell工程学院的一组研究人员找到了延长锂硫电池续航时间最具挑战性问题解决方案之一，使该技术更接近于商业化。该团队的研究结果显示，在锂金属表面原位电池内部制造一层含有碲的人共层，可以使电池寿命延长4倍。

“硫磺资源丰富，对环境无害，在美国没有供应链问题”机械工程教授、德克萨斯材料研究所所长Arumugam Manthiram说。”但也有工程技术上的挑战。我们减少了一个问题，延长电池的循环寿命。”

锂是一种活性元素，易分解周围其他元素。锂硫电池的每一次循环—-充电和放电的过程–都会在锂-金属阳极—也就是电池的负极–上形成苔藓针状沉积物。这会引发一种反应，导致电池整体性能下降。

这些沉积物会破坏电解液，使锂离子来回穿梭于电解液中。这可能会截留部分锂离子，使电极无法提供该技术所承诺的超长使用时间所需的全部功率。这种反应也会导致电池短路，并有可能起火。

锂电极上形成的人工层可以保护电解液不被降解，并减少充电时形成的青苔结构。该稳定层是通过简单的原位工艺形成的，不需要在锂金属阳极上进行昂贵或复杂的预处理或涂层程序。这种方法还可以应用于其他锂基和钠基电池。研究人员已经为该技术提交了临时专利申请。

解决电池这部分不稳定问题是延长其循环寿命并带来更广泛应用的关键。锂硫电池目前最适合于需要轻量级电池、一次充电可以长时间运行且不需要大量充电循环的设备，比如无人机等。但它们有可能在延长电动汽车的续航能力和增加可再生能源采用方面发挥重要作用。

Manthiram说：锂硫电池中的正负极的充电容量是目前锂离子电池中使用的材料的10倍，这意味着可以在一次充电中提供更多的使用量。硫磺作为石油和天然气工业的副产品广泛存在，这使得电池的生产成本低廉。与锂离子电池中使用的金属氧化物材料相比，硫磺也更环保。

延伸阅读：

锂硫电池研究进展

阳极	阴极	日期	来源	循环后比容量	研究进展
锂金属	聚乙二醇涂层多孔炭	2009年5月17日	滑铁卢大学	1110 mA⋅h/克，在168期 mA⋅g ^-1下循环20次	电荷循环期间的降解最小。为了将多硫化物保留在阴极中，将表面官能化以排斥（疏水的）多硫化物。在使用甘醇二甲醚溶剂的测试中，传统的硫阴极在30 个循环中损失了96％的硫，而实验阴极仅损失了25％。
锂金属	硫磺涂层的无序碳中空碳纳米纤维	2011年	斯坦福大学	150个循环后（在0.5 C下）730 mA·h / g	电解质添加剂将法拉第效率从85％提高到了99％以上。
硅纳米线/碳纤维	由碳水化合物制成的硫磺涂层的无序碳纳米管	2013年	CGS	400次循环后（1 C时）1,300 mA·h / g	材料的微波处理和电极的激光打印。
硅碳	硫	2013年	弗劳恩霍夫材料与光束技术研究所IWS	？1400次循环后
	共聚硫	2013年	亚利桑那大学	100次循环时为823 mA·h / g	主要是在硫磺上加少量的1,3-二异丙烯基苯（DIB）添加剂
	多孔 TiO ₂封装的硫纳米颗粒	2013年	斯坦福大学	1,000次循环（0.5 C）时为721 mA·h / g	外壳可保护硫锂中间体不受电解质溶剂的影响。每个正极粒子的直径为800纳米。法拉第效率为98.4%。
	硫	2013年六月	橡树岭国家实验室	60 °C（0.1 C）下300次循环时为1200 mA·h / g 在60 °C（1 C）下进行300次循环时为800 mA·h / g	固体多硫代磷酸锂电解质。典型LIB电压的一半。剩下的问题包括低电解质离子导电性和陶瓷结构中的脆性。
锂	苯乙烯-丁二烯 – 羧甲基纤维素共聚物粘合剂的硫- 氧化石墨烯纳米复合材料	2013年	劳伦斯·伯克利国家实验室	1,500次循环时700 mA·h / g（0.05 C放电） 1,500次循环时为400 mA·h / g（0.5 C充电/ 1 C放电）	电压在1.7到2.5伏之间，具体取决于充电状态。双（三氟甲磺酰基）亚胺锂溶解在正甲基双（三氟甲磺酰基）-酰亚胺（PYR14TFSI），1,3-二氧戊环（DOL），二甲氧基乙烷（DME）与1 M 双-（-三氟甲基磺酰基）酰亚胺（LiTFSI）和硝酸锂（LiNO ₃）。高孔隙率聚丙烯隔膜。1500次循环时的比能为500 W·h / kg（初始）和250 W·h / kg（C = 1.0）
锂化石墨	硫	2014年2月	太平洋西北国家实验室	400次循环	涂层可防止多硫化物破坏阳极。
锂化石墨烯	硫/硫化锂钝化层	2014年	OXIS能源	240 mA-h/g(1000个周期) 25个A-h/cell	钝化层防止硫损失
锂化硬碳	含硫共聚物（poly（S-co-DVB））	2019年	忠南国立大学	在3 C下500循环时为400 mAh / g	硬碳的SEI可以防止多硫化物在阳极沉积，并实现高速率性能。
锂硫电池	碳纳米管/硫	2014年	清华大学	15.1 mA-h-cm-2，硫负荷为17.3 mgS-cm-2时	制备了具有高面硫负载的独立式CNT-S纸电极，其中短MWCNTs用作短程导电网络，超长CNT用作长程导电网络和交叉的粘合剂。
	轻度还原氧化石墨烯的玻璃涂层硫，用于结构支撑	2015年	加利福尼亚大学河滨分校	700 mA⋅h⋅g ^-1（50次循环）	玻璃涂层可防止多硫化锂永久迁移到电极上
锂	硫	2016年	莱塔特	500 W·h /公斤	ALISE H2020项目开发了具有新组件的汽车用Li–S电池，并针对阳极，阴极，电解质和隔膜进行了优化

锂硫电池商业化现状

截至2015年，很少有公司能够将该技术进行工业规模的商业化。Sion Power等公司已经与空客防务与航天公司合作，测试其锂硫电池技术。空中客车防务和航天公司成功发射了原型高空伪卫星（HAPS）飞机，该飞机在白天进行了为期11天的飞行，白天以太阳能为动力，晚上以锂硫电池为动力。试飞中使用的电池采用了Sion Power公司的锂硫电池，可提供350瓦时/千克的功率，Sion公司声称正在进行量产。

英国公司OXIS能源公司开发了原型锂硫电池，目前正在进行小规模的商业化测试应用。该公司与伦敦帝国理工学院和克兰菲尔德大学合作，公布了其电芯的等效电路-网络模型，他们与丹麦的Lithium Balance公司合作，主要针对中国市场打造了一个原型滑板车电池系统。该原型电池采用10Ah长寿命电池，容量为1.2 kWh，重量比铅酸电池轻60%，续航能力显著提高。他们还制造了一款3U、3000W⋅h的机架式电池，重量仅25kg，完全可扩展。预计其锂硫电池量产后的成本约为200美元/kWh。该公司还参与了欧洲空间环境用锂硫动力联盟（ECLIPSE）H2020项目。该项目正在开发用于卫星和运载火箭的高容量锂硫电池。

索尼公司也将首款锂离子电池商业化，计划在2020年向市场推出锂硫电池。

澳大利亚墨尔本莫纳什大学机械和航空工程系开发出了一种超高容量的Li-S电池，该电池由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所的合作伙伴制造。据称，该电池可以为一部智能手机提供5天的电量。

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