韩国开发锂硫电池 能量密度是锂电池2倍

导语

韩国南洋大学日前宣布研制出新型锂硫电池,它和目前商业化的锂离子电池具有相同的充放电循环工作性能,但其能量密度却是锂离子电池的两倍多。

日前,来自韩国南洋大学的一支研发团队对外宣布成功研发出了一种新型的锂硫电池,该电池与目前已经商业化应用的锂离子电池相比,两者具有相同的充放电循环工作性能,同时其能量密度还可以达到锂离子电池的两倍多。该研发团队是一支由韩国与意大利共同组建的多元化研究小组,在以上高度可靠的锂硫电池中,研发人员采用了一个高度可逆的双模态硫阴极(双模态硫阳极是指固态硫电极与硫化电解质)和一个锂化得到的硅/硅氧化物纳米阳极。

锂硫电池

该锂硫电池研发团队将研究成果发表在了美国化学会的纳米快报(Nano Letters)杂志上,在该文章中研发人员详细介绍了该锂硫电池所具有一系列性能,其中就包括相当高的能量密度、优秀的充放电效率、优异的充放电循环寿命,同时在电池充放电次数达到500次电容量达到原来的85%时仍可以实现750毫安时/克-1000毫安时/克的能量密度。正是由于该全新锂硫电池采用了全新的阳极设计以及阴极优化结构才使得该电池实现以上的先进性能。

由于锂硫电池采用的硫成本低且含量丰富,同时锂硫电池理论能力密度可以达到1675毫安时/克(约合2500瓦时/千克),因此锂硫电池将很有可能成为下一代电池应用技术。此外,锂硫电池的应用同样存在着众多众所周知的困难与挑战,其中就包括锂硫电池活性材料利用率偏低的问题,此外在锂硫电池工作时可溶性锂硫化物还可能会降低硫电极的稳定性。

来自该研究小组的Lee在文中介绍道:“目前针对硫电极进行的优化设计出现了一致性的进展,其中通过采用导电碳质基质与金属有机骨架以及恰当的电解质可以实现浸硫过程。目前已有多个研究组织研究报告称将锂硫化物加入到锂硫电池中可以有效提高锂硫电池的充放电循环性能和能量密度。

关于以上锂硫电池另一个关键问题就是该电池采用的是锂金属阳极,众所周知锂金属阳极存在着一些关键的问题,其中就包括在该锂硫电池工作时锂金属阳极会与有机电解质发生化学反应从而使得锂发生枝晶生长,这一问题将会大幅降低电池的循环工作效率同时还会产生安全问题。除以上外,锂硫电池还将采用硫阴极,在电池工作时锂金属会与锂硫化物发生反应从而在锂金属的表面形成一层Li2S的不溶性物质,这将直接导致锂金属的消耗损失最终将大幅降低电池的循环工作性能。

合金阳极材料代替锂阳极

为了进一步解决锂硫电池中锂金属阳极所带来的锂金属过量问题,近日有研究小组利用合金型阳极材料取代了锂金属阳极。其中锂金属阳极所采用的锂金属常被作电池的结构组成材料以此来确保电池的循环使用寿命,而锂金属阳极所带来的锂金属过量问题会进一步降低电池的能量密度甚至影响电池的安全性能。虽然目前已有相当数量的研究结果表明锂硫电池采用硫阴极可以有效保证电池的循环使用寿命和能量密度,但是将合金型阳极应用到实际的锂硫电池应用市场中仍需要进一步的研究决定。”

为了解决以上问题,该研究小组的研究人员设计了一种采用了双模态硫阴极和一个锂化得到的硅/硅氧化物纳米阳极的锂硫电池,同时该锂硫电池还采用了优化设计的液体电解质。

以上锂硫电池的硫阴极采用了一个由活性炭-硫复合材料组成的气体扩散层电极,而并未采用Li2S8阴极的解决方案。以上锂硫电池的最大能量密度可以达到1300毫安时/克,同时该电池的单位能量密度总共需要消耗1.2毫克的硫,其中大约有0.2毫克的固态硫是消耗在电池阴极上,另外还有1.024毫克的硫溶解到了80微升的锂多硫化物电解质中。

在C/3工作速度下,该锂硫电池的阴极能量密度可以达到1000毫安时/克。在该电池的第一个工作循环内其总体的工作效率可以达到99.3%,而即便是在循环工作次数超过100次后其总体工作效率还是可以超过99%。

该锂硫电池采用的锂化得到的硅/硅氧化物纳米阳极具有非常高的循环工作稳定性,其在电池循环工作次数超过100次后其能量密度仍可以达到800毫安时/克,循环工作效率甚至可以达到100%。

根据以上研究的结果,该全新锂硫电池在平均工作电压维持在1.8伏时可以实现750毫安时/克的平均能量密度,这就对应着大约497瓦时/千克的能量密度。

以上锂硫电池研究小组的研究人员Lee表示:“通过以上研究,我们认为锂硫电池将会推动该电池的实际应用。其中该锂硫电池将很有可能应用到一些新兴市场当中,其中就包括便携式设备、电动汽车以及用于可再生能源的大规模电力存储系统等。”

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