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                物理所等高体积和重量能量密度锂-硫电平靜池研究获进展

                文章来源:物理研究◣所   发布时间:2019-04-03  【字号:     】  

                  锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一,受到全世界科研界和产业界的高度关注,是未来各国布局的重点研究方向之一。但随着研▃究的不断深入,锂硫电池也面临日益严峻的挑战。目前存在的主要问题是锂硫电池的体积能量密度较低,导致其在很多重要的市场应用中失去竞争力,同惡狼时高电解液用量也成为其重量能量密度提高的瓶颈。主要原因在于硫是离子和电子绝缘体,因此正极中的硫需要大量非活性物质来发挥容量。一方面,需要錢笑窮笑瞇瞇加入大量高比表面积的碳ω(通常>30%)来保证电极良好的电╳子电导,导致电极孔隙率通常>70% (商业化锂离子电池正极:<40%),这就使锂硫电池的体积能量密度大打折扣。另一方面,高气孔率需≡要大量电解液浸润和溶解々中间产物来保证电极的离子电导(电解液活⊙性物质比: 锂硫电池通常>3 uL/mg,商业化锂离子电池通常<0.5 uL/mg),从而大大限制了锂硫电池的重量能量密度。因此,当前制约锂硫电池实用№化的关键技术瓶颈是如何在高活性物质负载条件下(10 mg/cm2),实现低电解液用量、高电极密度及低非活性物质含量。

                  中国科学院物 此時雷鋒身已經有所提升理研究所/北京凝聚态物這一次理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组副研究员索鎏敏 (Liumin Suo) 与美国麻省理工学院教授李巨(Ju Li)和博士薛伟江 (Weijiang Xue) 合作针对目◥前锂硫电池存在的共性问题——电池器件级【别能量密度不高的问题,创新地提出采用高电子和离子电导的嵌入式电极材料Mo6S8取代非活性物质碳构成嵌入-转换型混合电极,使得硫正极在→保证高活性物质负载量的条▓件下(大于10 mg/cm2),含碳量降低到小于10 wt%,电解液活性物质◣比大幅度降低到1.2 μL mg-1,电极孔隙率低于55 %。采用此新型混合电极的安时级软包全电池在保证循环寿命Ψ的条件下单体能量密度大幅度提升,可以同时实现高的体积能量密度(581 Wh/L)和重量能量密度(366 Wh/kg),为未来开发新型高能量密度的锂硫电池提供↑了一条全新的解决思路和切实可行的商业化技术方案(图1)。该研究结果近日发表在《自然-能源》上(Nature Energy,2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0351-0),文章题目为Intercalation-conversion hybrid cathodes enabling Li–S full-cell architectures with jointly superior gravimetric and volumetric energy densities

                  相关工作得到科技部重点研发计划(2018YFB0104400)、国家自然科学西方來基金委(51872322)等的支持。

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                    图1. 高体积和重量能量︼密度的嵌入-转化混合正极的设计思路(嵌入式电极材料:Mo6S8, 转化型电极材料:S8)。

                    图2. 嵌入-转化混合正极HMSC(活性物质Mo6S8+S8 含量85%,导电碳含量與king另外七名師弟前來〖10%) 与C-S8复合电极对比示意图和真实电极SEM图片。注:负载量12.3 mg/cm2的HMSC电极厚度为121 μm远远低于负载量只有6.2 mg/cm2的C-S复合电极,因此使得该类电极材料在电极级别上重量和体积能量密度占据绝对『优势。

                    图3. 嵌锂LixMo6S8与中间〓产物多硫离子Li2S4相互作用机理研究。(a) 循环伏安曲线;(b) 多硫离子吸附实验;(c) 原位XRD 表征;(d) DFT 多硫离子吸附能计算;(e) Mo6S8嵌锂前后对多硫离子吸附能的变化。注:实验和理论计算表明嵌锂后的LixMo6S8 较未嵌锂的Mo6S8在对多硫离子的吸附性能上有明显提高。

                    图4. Mo6S8 在HMSC电极中的作用机理。注:步骤 I: 在硫还原之前预嵌◥锂(> 2.4 V); 步骤 II: 嵌锂后的LixMo6S8具有双△功能: I) 吸附多硫离子从而抑制多硫离子穿梭效应和II) 提供电子和离子导电网络从而起到替代碳的作用。

                    图5. HMSC型扣式电池性能 (HMSC: 6.2 mg cm-2 S8 + 6.1 mg cm-2 Mo6S8, 电解液活性}物质比:2.4 μL mg?1)。(a) 充放电曲线 (b) 倍率性能 (c) 循环寿命和库伦效率。

                    图6. HMSC型锂硫全电池性能。(a) 锂硫扣式电池 (6.9 mg cm-2 S + 6.8 mg cm-2 Mo6S8,电解液活性物质比~1.5 μL mg?1);(b) 锂硫◎软包全电池(电解液活性物质比~1.2 μL mg-1,~2倍金属锂过量);(c) 锂硫电池全电池能量密度对比图。注:图c为扣式电池实验参数□推算的能量密度和安时级软包全电池的真↑实能量密度。




                (责任编辑:叶瑞优)

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