日前，來(lái)自韓國(guó)南洋大學(xué)的一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)外宣布成功研發(fā)出了一種新型的鋰硫電池，該電池與目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池相比，兩者具有相同的充放電循環(huán)工作性能，同時(shí)其能量密度還可以達(dá)到鋰離子電池的兩倍多。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)是一支由韓國(guó)與意大利共同組建的多元化研究小組，在以上高度可靠的鋰硫電池中，研發(fā)人員采用了一個(gè)高度可逆的雙模態(tài)硫陰極(雙模態(tài)硫陽(yáng)極是指固態(tài)硫電極與硫化電解質(zhì))和一個(gè)鋰化得到的硅/硅氧化物納米陽(yáng)極。

該鋰硫電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)將研究成果發(fā)表在了美國(guó)化學(xué)會(huì)的納米快報(bào)(Nano Letters)雜志上，在該文章中研發(fā)人員詳細(xì)介紹了該鋰硫電池所具有一系列性能，其中就包括相當(dāng)高的能量密度、優(yōu)秀的充放電效率、優(yōu)異的充放電循環(huán)壽命，同時(shí)在電池充放電次數(shù)達(dá)到500次電容量達(dá)到原來(lái)的85%時(shí)仍可以實(shí)現(xiàn)750毫安時(shí)/克-1000毫安時(shí)/克的能量密度。正是由于該全新鋰硫電池采用了全新的陽(yáng)極設(shè)計(jì)以及陰極優(yōu)化結(jié)構(gòu)才使得該電池實(shí)現(xiàn)以上的先進(jìn)性能。

由于鋰硫電池采用的硫成本低且含量豐富，同時(shí)鋰硫電池理論能力密度可以達(dá)到1675毫安時(shí)/克(約合2500瓦時(shí)/千克)，因此鋰硫電池將很有可能成為下一代電池應(yīng)用技術(shù)。此外，鋰硫電池的應(yīng)用同樣存在著眾多眾所周知的困難與挑戰(zhàn)，其中就包括鋰硫電池活性材料利用率偏低的問(wèn)題，此外在鋰硫電池工作時(shí)可溶性鋰硫化物還可能會(huì)降低硫電極的穩(wěn)定性。

來(lái)自該研究小組的Lee在文中介紹道：“目前針對(duì)硫電極進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一致性的進(jìn)展，其中通過(guò)采用導(dǎo)電碳質(zhì)基質(zhì)與金屬有機(jī)骨架以及恰當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)可以實(shí)現(xiàn)浸硫過(guò)程。目前已有多個(gè)研究組織研究報(bào)告稱將鋰硫化物加入到鋰硫電池中可以有效提高鋰硫電池的充放電循環(huán)性能和能量密度。

關(guān)于以上鋰硫電池另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是該電池采用的是鋰金屬陽(yáng)極，眾所周知鋰金屬陽(yáng)極存在著一些關(guān)鍵的問(wèn)題，其中就包括在該鋰硫電池工作時(shí)鋰金屬陽(yáng)極會(huì)與有機(jī)電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而使得鋰發(fā)生枝晶生長(zhǎng)，這一問(wèn)題將會(huì)大幅降低電池的循環(huán)工作效率同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生安全問(wèn)題。除以上外，鋰硫電池還將采用硫陰極，在電池工作時(shí)鋰金屬會(huì)與鋰硫化物發(fā)生反應(yīng)從而在鋰金屬的表面形成一層Li2S的不溶性物質(zhì)，這將直接導(dǎo)致鋰金屬的消耗損失最終將大幅降低電池的循環(huán)工作性能。

合金陽(yáng)極材料代替鋰陽(yáng)極

為了進(jìn)一步解決鋰硫電池中鋰金屬陽(yáng)極所帶來(lái)的鋰金屬過(guò)量問(wèn)題，近日有研究小組利用合金型陽(yáng)極材料取代了鋰金屬陽(yáng)極。其中鋰金屬陽(yáng)極所采用的鋰金屬常被作電池的結(jié)構(gòu)組成材料以此來(lái)確保電池的循環(huán)使用壽命，而鋰金屬陽(yáng)極所帶來(lái)的鋰金屬過(guò)量問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步降低電池的能量密度甚至影響電池的安全性能。雖然目前已有相當(dāng)數(shù)量的研究結(jié)果表明鋰硫電池采用硫陰極可以有效保證電池的循環(huán)使用壽命和能量密度，但是將合金型陽(yáng)極應(yīng)用到實(shí)際的鋰硫電池應(yīng)用市場(chǎng)中仍需要進(jìn)一步的研究決定?！?

為了解決以上問(wèn)題，該研究小組的研究人員設(shè)計(jì)了一種采用了雙模態(tài)硫陰極和一個(gè)鋰化得到的硅/硅氧化物納米陽(yáng)極的鋰硫電池，同時(shí)該鋰硫電池還采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)的液體電解質(zhì)。

以上鋰硫電池的硫陰極采用了一個(gè)由活性炭-硫復(fù)合材料組成的氣體擴(kuò)散層電極，而并未采用Li2S8陰極的解決方案。以上鋰硫電池的最大能量密度可以達(dá)到1300毫安時(shí)/克，同時(shí)該電池的單位能量密度總共需要消耗1.2毫克的硫，其中大約有0.2毫克的固態(tài)硫是消耗在電池陰極上，另外還有1.024毫克的硫溶解到了80微升的鋰多硫化物電解質(zhì)中。

在C/3工作速度下，該鋰硫電池的陰極能量密度可以達(dá)到1000毫安時(shí)/克。在該電池的第一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)其總體的工作效率可以達(dá)到99.3%，而即便是在循環(huán)工作次數(shù)超過(guò)100次后其總體工作效率還是可以超過(guò)99%。

該鋰硫電池采用的鋰化得到的硅/硅氧化物納米陽(yáng)極具有非常高的循環(huán)工作穩(wěn)定性，其在電池循環(huán)工作次數(shù)超過(guò)100次后其能量密度仍可以達(dá)到800毫安時(shí)/克，循環(huán)工作效率甚至可以達(dá)到100%。

根據(jù)以上研究的結(jié)果，該全新鋰硫電池在平均工作電壓維持在1.8伏時(shí)可以實(shí)現(xiàn)750毫安時(shí)/克的平均能量密度，這就對(duì)應(yīng)著大約497瓦時(shí)/千克的能量密度。

以上鋰硫電池研究小組的研究人員Lee表示：“通過(guò)以上研究，我們認(rèn)為鋰硫電池將會(huì)推動(dòng)該電池的實(shí)際應(yīng)用。其中該鋰硫電池將很有可能應(yīng)用到一些新興市場(chǎng)當(dāng)中，其中就包括便攜式設(shè)備、電動(dòng)汽車以及用于可再生能源的大規(guī)模電力存儲(chǔ)系統(tǒng)等?！?

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