作者:杨裕生 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/5 11:51:43
选择字号:
杨裕生院士:加速锂硫电池发展的三点建议

 

2016年6月,清华大学举办“锂硫电池研讨会”。会议快要结束的时候,针对当时媒体上不断出现的锂硫电池技术“突破”“领先”等报道,我以“沉着奋战锂硫电池”为题发言。我的发言主要表达了如下观点:锂硫电池“进门容易”,但会“越做越难”。锂硫电池技术存在“五低”:安全性低,体积比能量低,放电倍率低,能量转换率低,循环次数低。只有基本解决掉“五低”问题后锂硫电池才能用作车用动力电池,三年五载很难用上,十年八载不算悲观。

国内外许多单位6年来做了大量工作,共同推动了锂硫电池技术的明显进展。其中,中国人民解放军防化研究院从1997年开始研究锂硫电池,这6年针对“五低”问题的根源进行工作,成效显著,具有很好的代表性。

一、安全性低的主要根源是锂枝晶。

研究了锂硼合金作为负极,利用纤维状Li7B6良好的导电性作合金中金属锂的载体,增加负极的比表面、降低电流密度,改善锂表面SEI膜的性能,缓解了金属锂易长枝晶、粉化问题,充放电50圈后表面光洁未见枝晶,提高了安全性。

据此,组织了国内优势单位中南大学、厦门大学、苏州大学、北京化工大学和广州工业大学系统研究锂硼合金的作用。中南大学建成了锂硼合金批量冶炼和轧制装置,为普遍研究和使用锂硼合金奠定了基础。

二、放电倍率低主要由于硫既不导电子,又不导锂离子。6年主要进展是通过掺碳、造孔、包覆并引入催化剂等多重手段,制备出新型碳硫复合正极材料,其含硫量达90wt.%,振实密度为0.5 g/mL,电子电导 0.18 S/cm。材料表现出良好的倍率性能和循环稳定性。

三、针对体积比能量低的问题采取的关键措施有三:1、提高正极的单位面积载硫量;2、提高硫的有效比容量;3、降低电解液用量。目前可以达到:极片含硫>80%,载硫>5mg/cm2(单面);材料中硫的比容量>1350mAh/g (0.2C充放) ;电解液与硫的质量比:E/S=3.2。

四、能量转换率低主要由于多硫离子穿梭效应。对此,将酞菁铟引入隔膜涂层中,起到催化多硫离子转化的作用,制备具有催化作用的功能隔膜,缓解多硫离子穿梭。

五、循环次数与提高比能量有矛盾。通过采取多种针对性措施,锂硫电池在小电流下比能量已达到758Wh/kg的水平,全充放还能循环几周。在低荷电态下充放电,循环寿命可成数量级延长。

但是,全面衡量锂硫电池现有水平,距离大规模应用还要继续奋战三五年。为了加速我国锂硫电池技术发展,我在此提出三点建议。

一、锂硫电池的发展需要大型企业的主导

锂硫电池的发展已进入“从基础研究进入工程化”的阶段,必须改由实力雄厚的大型企业主导,才能做好以下四件要事:

1、用安时级别软包装电池代替扣式电池

扣式电池可在手套箱中操作,但是锂硫扣式电池中正极载硫量低而电解液用量高,难以反映材料的真实水平,对于推动实用化作用有限。

锂硫电池的正极高载硫下容量的发挥、电解液的减量、电池一致性等与实用相关的问题,都需要在安时级别软包装的平台上进行研究,这就要企业大量投入建立露点极低的干房。

2、利用已有技术,对锂硫电池作集成开发

锂硫电池的基础研究已经达到较高的水平,国内外发表了大量的文章和专利。大型企业有雄厚的实力收集、采购国内、国外先进的技术和专利,最快地加以消化、集成。

3、组建相当规模的高水平开发队伍

大型企业一定理解:开发一款新型电池需要多大规模的队伍!人少了不行。何况,锂硫电池还具有有别于其他电池的特殊性和技术难关,要选聘真通锂硫电池的人才!

4、坚持长时间的刻苦攻关

大型企业能够改变目前分散性、游击式、接力式、出文章为主的现象,能够稳定队伍不断线、持续提高水平;并有实力向科技部重点科研项目“配套”经费。

二、锂硫电池的发展现阶段需要适合的应用场合

锂硫电池的正极材料单质硫的来源丰富,价格低,体系环保,还有一个优势是回收成本较目前的锂离子电池低得多,所以综合考虑非常有应用前景。

目前,锂硫电池的循环稳定性还不是很理想,还难以用做电动汽车等动力供电,但其高比能量的优势明显,可以部分弥补循环次数少的不足。关键是找到对电池重量比较敏感而容积较宽敞的场合先行应用,进行针对性的开发,以便在应用中继续提高性能,取得更快进步。同时,在性能提高的过程中不断扩展应用场景。

推广锂硫电池的应用,也必需企业承当。

三、要重视发展有机硫化物正极的锂硫电池

锂硫电池以有机硫化物正极,虽然比能量不及以单质硫为正极,但是这种电池使用六氟磷酸锂酯类电解液,价格远低于醚类电解液;有机元素丰富,不受资源限制;没有穿梭现象,能量转换效率高;没有单质硫的溶解,循环寿命长,是很值得开发的品种。

我们在研究正极材料硫代聚丙烯腈的储能机制中,发现了聚丙烯腈结构中的双键具有可逆储能的作用,揭示了以硫含量计算比容量时实测值大于理论值的根源。

可顺着这条路径,合成含硫硫键的多双键有机化合物,以硫的吸电子效应提高双键的电位至1.8V以上(对锂);以多双键储能增加含硫材料的比容量,可能达1000mAh/g以上(比硫代聚丙烯腈提高30%-40%);以比容量2000mAh/g以上的锂硼合金为负极提高安全性和循环性,电池的比能量可能大于450Wh/kg。按此方案制成的电池,安全性将显著高于相同比能量的三元锂离子电池,值得重视,特别希望有机化学家介入发挥作用。

三点思路:企业主导,推广应用,材料创新。

(本文系作者在中国超级电容产业联盟主办、清华大学化工系和中国科学院电工所承办的2022年学术研讨会上的发言整理)

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
应激颗粒异常是导致周围神经病的重要机制 “中山大学极地”号顺利完成渤海冰区试航
AI技术从零开始生成原始蛋白质 科学家模拟出末态粒子关联的三维结构
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文