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国内外锂硫电池技术发展动态

供稿人:冯海玮  供稿时间:2019-5-30   关键字:锂硫电池  

锂硫电池是一类以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的新型锂电池。首先,硫具有较高的理论比容量和理论比能量,以硫作为正极材料的锂硫电池储能能力远高于目前商业化的锂离子电池。其次,单质硫在地球中储量丰富且价格低廉,单价远低于常规正极原料碳酸锂。最后,由于锂硫电池正极为单质硫和碳,负极为金属锂组成单一,硫极易升华,简单的加热就可以将正极中硫进行回收,未来废旧锂硫电池的回收再利用相对简单,成本低。因此,锂硫电池成为一种具备广阔发展前景的新型锂电池。

 

一、技术发展现状与态势

延长寿命和提升安全成为锂硫电池优化重点。随着锂硫电池技术日趋完善,前期困扰锂硫电池发展的诸多问题得到了解决,例如正极单质硫不导电,放电中间产物多璃子溶解扩散,硫放电后体积膨胀导致正极结构破坏等。现阶段,以金属锂做负极导致多次充放电循环后锂粉化,进而使得电池寿命缩短、安全性能降低成为锂硫电池产业化道路需要冲破的最后壁垒。

 

针对该问题,研究人员提出了以提升电解液、电极材料安全性和优化保护设计为切入点的工作思路。在提高电解液安全性方面,通过加入功能添加剂、使用新型锂盐以及使用新型溶剂可以有效解决电解液的安全隐患;在提高电极材料安全性方面,对于正极材料,使用金属氧化物对正极材料进行表面包覆,阻止正极材料与电解液之间的直接接触,抑制正极物质发生相变,提高其结构稳定性,降低晶格中阳离子的无序性,以降低副反应产热。对于负极材料,通过微弱氧化、金属和金属氧化物沉积、聚合物或者碳包覆,提高负极材料热稳定性;在改善电池的安全保护设计方面,通过添加电池安全阀、热溶保险丝、热封闭隔膜、专用保护电路、专用电池管理系统或串联具有正温度系数的部件等手段增强电池安全性。

 

二、国外科研机构、企业竞相开展锂硫电池研发

近年来,国外企业、高校和科研院所都开展了锂硫电池的研发,其中锂硫电池研发公司OXIS和SION POWER均取得了较为突出的研发成果。

 

英国OXIS能源公司与2018年10月宣布成功研发出能量密度为425Wh/kg的锂硫电池,并将该电池应用于高海拔卫星。该公司有望在2020年前将电池能量密度提升至500Wh/kg,预计这类电池未来可能率先应用于大型无人机等领域。不过该类电池在电动汽车领域的应用目前仍存在技术瓶颈,例如循环寿命、功率输出、充电时间等。

 

美国锂电池技术开发商SION POWER公司是锂硫电池研发领域的另一个领跑者。早在2010年,该公司便率先将锂硫电池应用于大型无人机。目前,SION POWER公司正致力于研发Licerion专利产品—可充电锂金属电池。Licerion技术核心是SION POWER公司与德国化学公司巴斯夫合作研发的具有多层物理和化学保护功能,能够减轻电池重量,最大程度提升电池能量密度,延长循环使用周期并提升安全性的金属锂薄膜阳极。

 

三、国内锂硫电池重大研发成果频出

目前包括中科院大连化物所、中国防化研究院、清华大学和上海交通大学等在内的高校、科研机构均在锂硫电池领域取得了突破性研究成果。2018年初,中科院大连化物所陈剑团队在锂硫二次电池技术研发中取得新进展。经第三方测试,该次研制的能量型锂硫电池比能量提升至609Wh/kg,再次刷新二次电池比能量记录。该电池的环境适应性优异,并呈现出显著优于锂离子电池的低温性能;中国防化研究院王维坤团队研发的1.7Ah锂硫电池的能量密度为320Wh/kg清华大学核能与新能源技术研究院何向明教授研制出一种以硫化聚丙烯晴为正极材料、容量达800mAh/g的聚合物锂电池,该锂/硫化聚丙烯晴电池的能量密度超过240Wh/kg,且该类硫化聚丙烯晴材料具有超低成本和较低的能源消耗。上海交通大学化学化工学院杨军教授则研发出基于炭纳米管表面生长的硫/聚丙烯腈共聚物复合正极材料。

 

四、技术产业化前景

尽管锂硫电池开发技术已取得长足进步,然而距离商业化应用仍有一定距离。由于在制备锂硫电池正极时碳材料发挥着至关重要的作用,因此碳材料有望成为未来锂硫电池优化的重要方向;此外,金属锂负极的安全性也是锂硫电池实际应用的主要阻碍,发展安全的金属锂负极意义重大。就整体而言,随着近年来锂硫电池快速发展和各国政策的支撑力度不断提升,锂硫电池进入实际应用阶段已为期不远。

 


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