建筑“钢筋混凝土”电池

作者: 刘涛

来源: 中国科学院青岛生物能源与过程研究所

发布日期: 2018-12-09 08:00:00

本文介绍了锂硫电池的发展背景、特点及其在提高能量密度和循环寿命方面的研究进展,特别是中科院青岛能源所研究组通过木质素纤维等材料构建的“钢筋混凝土”结构锂硫正极材料,显著提升了电池性能。

随着人类对环境保护的重视,新能源汽车可谓发展迅猛。然而,大多数人对电动汽车仍然持怀疑或观望的态度,这主要是由于现阶段商用的锂离子电池能量密度较低,造成电动汽车巡航里程“不给力”,这成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈之一。

在市场需求推动下,更高容量的锂硫电池“脱颖而出”。锂硫电池,顾名思义,即以单质硫作正极,金属锂作负极的一种新型电池,由于其理论容量为锂离子电池的五倍之多,并且硫原材料来源丰富、价格低廉、低毒无害,使得国内外对锂硫电池的开发产生了浓厚的兴趣,锂硫电池被认为是最具潜力的下一代高能量电池体系之一。

有利就有弊,锂硫电池也逃不了这个规律。由于在充放电过程中,锂硫电池产生的聚硫化物能溶解于电解液中,随电解液“游”到负极,与负极发生反应(即所谓的“穿梭效应”)。这一现象使得锂硫电池在充放电过程中,外部放电,内部也跟着“耗电”,导致锂硫电池的寿命远不及锂离子电池。为此科学家们尝试用各种方式把正极产物固定在正极内部,以减少穿梭效应的发生。

从木材中找灵感,建筑“钢筋混凝土”电池。木质素,一种世界上第二丰富的天然有机物,广泛存在于植物的木质部(负责给植物上端运输水和矿物质的组织)中,木质素纤维就是通过对天然的木材经过一系列的物理化学处理,得到的一种含有木质素的有机纤维。木质素纤维具有优异的化学稳定性,无毒、无害、无污染,属于纯绿色环保的产品,可用于各种材料中充当稳定抗裂剂。

受此启发,中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组的研究人员,将木质素纤维充当锂硫电池正极材料的骨架,并与碳纳米管、石墨烯共同组建了一种类似“钢筋混凝土”结构的锂硫正极材料,该正极材料有较强的柔韧性可以随意折叠弯曲。由于木质素分子内部含有大量的羟基(-OH),能够有效的与锂硫电池正极中间产物中的Li+产生类似氢键(-HO…H)的锂键相互作用(-HO…Li)。

正是这种相互作用,使木质素纤维能够很好的捕获游离在电解液中的硫化物,让它老老实实的待在正极。因此,木质素纤维充当“钢筋”,既能稳固正极片结构,同时又能有效地吸附正极反应产生的硫化物。

此外,为了使电子能够更加快速的传输到锂硫电池的正极,研究人员在该柔性极片底部增加一层石墨烯薄膜,从而实现锂硫电池的快速充放电的目的。

基于以上思路,该研究组制备出高性能锂硫电池,其放电容量可接近锂硫电池的理论容量,远高于相关报道的容量;同时该电池表现出优异的循环稳定性,500圈后容量保持率高达86.5%。即使在9.2 mg cm-2高载硫量下(更高的载硫代表更高的能量密度),该柔性极片通过双层叠加的方式,使得锂硫电池依旧保持优异的循环稳定性。该方法具有简单、易操作,制作成本低等诸多优势,非常适合大规模推广。

该工作对提高锂硫电池硫利用率和循环寿命提供了一种新的思路。

UUID: 980f1aa6-5361-495e-a816-103b2daa13a9

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/中科院之声公众号-pdf2txt/2018/中科院之声_2018-12-09_建筑“钢筋混凝土”电池.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0034 元