作者:杨裕生 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/19 17:36:54
选择字号:
杨裕生院士:要重视发展安全又高能的硫锂离子电池

 

硫锂离子电池的全称是“以有机高分子硫化物为正极的锂离子电池”。正如无机物为正极材料的锂离子电池脱胎于锂电池一样,硫锂离子电池是从锂硫电池发展而来的,目的都是为了克服原有电池安全性不高、寿命不长的缺点。与无机正极材料磷酸铁锂、钴酸锂等锂盐不同的是,这类有机硫化物不含锂,所以负极中要预置准确计算量的金属锂,既满足电池首次放电的需要,放电后又没有剩余的金属锂。

截至目前,硫锂离子电池的发展还未得到足够的重视。未来,我们希望它能够和磷酸铁锂、三元材料等其他正极的锂离子电池一起,作为锂离子电池未来发展的方向,在发展中发挥各自优势,拓展最能发挥各自作用的广阔应用场景。

锂离子电池比能量提高的两个研发方向

提高比能量是电池的永恒课题。当然,提高电池比能量必须以“安全第一”为前提,同时考虑成本和寿命。

减少非含能物质的重量是提高电池比能量的常用措施,而最重要的主道是发明比能量高的电池新体系。其中,提高电池电压和电极材料比容量是提高电池比能量的根本途径。

目前锂离子电池负极物质的比容量已很高,电位也已很低,而颇具潜力的是寻找电位高或比容量高的正极材料。于是,锂离子电池的研究形成了两个方向,一是以提升正极电位为主;二是以提高正极比容量为核心。

第一个方向以三元锂离子电池为代表,其正极材料为镍-钴-锰混合氧化物的锂盐;提高镍的含量,三者的比例由333改变为523、622、811,可以逐步加深充电深度而将更高份额的锂转移到负极,从而提升正极电位,比容量也相应有所提高。但是,电位越高的正极有越强的氧化性,在一定条件下会氧化电池中的有机物质,放出大量化学熱,电池内同时具备燃烧三要素“燃料-助燃剂-温度”,于是发生热失控而造成燃烧,甚至爆炸。为了解决安全问题,出现了全固态电解质替代有机电解液用以传导锂离子的设想——全固态锂离子电池。在笔者看来,这是个值得研究但难度很大的课题。

第二个方向的代表为硫锂离子电池,正极材料选用高比容量有机硫化物,其储能单元主要为有机硫化物中的硫硫键,也可能包含有机结构中的双键;负极和电解液可使用现有锂离子电池的所有相关材料,负极再加金属锂。此类正极材料的特点是比容量高(大于500毫安时/克),补偿了电位低(对锂不到2伏)的不足;电池的比能量高于磷酸铁锂电池而与三元锂离子电池相当,却不会发生电池中其他有机物的氧化而产生化学热,所以电池安全性高。同时,电池中不需镍钴等我国稀缺的元素,而所用碳、氮、硫元素资源无限;既可做成储能电池,也可做成动力电池,用途宽广;还可不作大的变动用钠或钾替代锂,做成钠离子电池或钾离子电池,比能量虽然比锂离子电池低些,但资源更丰富。

上述锂离子电池研发的两个方向,各有优势和难点,做好了都有发展前景,应该并行不悖,在发展中竞赛,相互促进,最后由市场当裁判员。

以硫化聚丙烯腈为正极的硫锂离子电池

我们首先于2014年发表文章,以比能量520mAh/g的硫化碳炔为正极材料,验证了硫锂离子电池新思路的可行性,继而又于2017年报道以比能量近700mAh/g的硫化聚丙烯腈为正极材料的硫锂离子电池新体系。硫锂离子电池目前最看好的正极材料就是硫化聚丙烯腈。

硫化聚丙烯腈是2002年上海交通大学化学化工学院研究员王久林等首先提出的“导电高分子与硫的复合物”,目的是替代“优缺点两头冒尖”的单质硫用作锂硫电池的正极材料。

20多年来,国内外研究硫化聚丙烯腈者众,发表论文不少,但至今未见用它做成量产的电池,分析其原因可能有四:一是三元锂离子电池等用于电动车而迅猛发展,先声“夺人”。二是电池界多熟悉无机化学而较少熟识有机材料。三是从最初起,硫化聚丙烯腈就与金属锂配成锂硫电池,比能量虽高,但留下枝晶引起安全及循环寿命短的成见。四是进口原料聚丙烯腈试剂贵达3300元100克,大量采购也要1万元1公斤。

不过,近些年来情况发生了变化。

首先,我们提出“硫锂离子电池”新体系后,硫化聚丙烯腈不必再与金属锂配成锂硫电池,而是改做锂离子电池,安全性高又高能。

其次,电池“安全第一”的原则逐渐深入人心,开始扭转片面追求高比能量的倾向,高安全性电池日益受到重视。

再次,我们搞清了国产聚丙烯腈原料性能较差的原因,组织生产的新聚丙烯腈,品质与进口产品相同,而价格低于进口品的1/300,为其大量使用开辟了大道。

四是镍钴资源问题凸显,价格受控于人,不用镍钴的硫锂离子电池更适合中国国情。

加强硫锂离子电池的发展力度

硫锂离子电池是个新品种,需要继续研究的科学技术课题不少,尤其是新的高比容量正极材料有着广阔的创新天地,有机化合物变化万千,可能设计出许多新的储能结构。特别盼望有机化学家介入,开发出新的优异的有机高分子化合物,通过调控结构提高放电电压、导电性、充放电速率,共同创建“储能高分子”新分支学科。

加强硫锂离子电池发展力度,首先要广为介绍它,让更多业内外人士认识它的优点、前景和对我国国情的高度适合性。二要政府相关部门重视硫锂离子电池,将它放到与全固态锂离子电池同样的支持地位。三要提醒电池企业抓住时机及早介入此新技术,为企业的发展掌握新生产力。四要现有硫化聚丙烯腈研究者积极转化自己的研究成果,主动与企业合作实现电池的工程化开发。

我们应该有决心和信心,共同努力,让发源于中国、安全又高能的硫离子电池和廉价又长寿的硫化聚丙烯腈,始终保持世界领先的水平,为国家的现代化建设作出应有的贡献。

(作者系中国工程院院士)

 
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
研究阐述钙钛矿量子点最新进展 7月福利!科学网APP论文&基金最新活动
让屋顶变白是保持城市凉爽的最好方法 他们心里有一盘棋:“精准设计”水稻种子
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文