新聞中心

EEPW首頁 > 電源與新能源 > 業(yè)界動態(tài) > 梳理:2018年我國鋰硫電池技術(shù)研發(fā)相關(guān)進(jìn)展

梳理:2018年我國鋰硫電池技術(shù)研發(fā)相關(guān)進(jìn)展

作者: 時間:2019-02-12 來源:電池中國網(wǎng) 收藏
編者按:近日,歐洲13家機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)車用鋰硫電池的消息再一次刷了屏。消息稱,由西班牙Leitat牽頭組織的新能源電動汽車用鋰硫電池研發(fā)將持續(xù)43個月,旨在研發(fā)高能量密度、高安全性和優(yōu)良循環(huán)性能的鋰硫電池,破解當(dāng)前新能源汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

  近日,歐洲13家機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)車用的消息再一次刷了屏。消息稱,由西班牙Leitat牽頭組織的新能源電動汽車用研發(fā)將持續(xù)43個月,旨在研發(fā)高能量密度、高安全性和優(yōu)良循環(huán)性能的,破解當(dāng)前新能源汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201902/397465.htm

  鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池,其理論比能量高達(dá) 2600Wh/kg,遠(yuǎn)高于目前商業(yè)化的鋰離子電池,是破解新能源汽車“里程焦慮”備選項(xiàng)之一。但鋰硫電池固有的缺陷也阻礙了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程:一方面,由于硫單質(zhì)及還原產(chǎn)物多硫化合物(Li2S/Li2S2)的導(dǎo)電率低,導(dǎo)致鋰硫電池中活性物質(zhì)利用率低,倍率性能差;另一方面,在充放電過程中產(chǎn)生的可溶性多硫化合物,會導(dǎo)致“穿梭效應(yīng)”的出現(xiàn)。這些問題通常導(dǎo)致硫的利用率低、循環(huán)壽命差,甚至?xí)绊懸幌盗邪踩珕栴}。

  實(shí)際上,鋰硫電池具有能量密度高、理論容量大、單質(zhì)硫資源豐富且無污染等特點(diǎn),我國也一直在進(jìn)行著鋰硫電池技術(shù)的研發(fā),部分研發(fā)團(tuán)隊(duì)甚至已經(jīng)取得了明顯的成效,輕型便攜式鋰硫電池已經(jīng)開始生產(chǎn)。在此,電池中國網(wǎng)特意梳理了2018年我國鋰硫電池技術(shù)研發(fā)的相關(guān)進(jìn)展,以供參考。

  大連化物所研制出能量密度609Wh/kg鋰硫電池

  2018年年初,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳劍帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研制出能量密度達(dá)到609Wh/kg的新型鋰硫電池。該電池也展示出了優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性:在-20℃的環(huán)境中,放電比能量達(dá)到400Wh/kg;在-60℃的極寒環(huán)境中仍可工作,表現(xiàn)出了顯著優(yōu)于鋰離子電池的低溫性能。此外,新研制的功率型鋰硫二次電池的持續(xù)放電倍率大于4C,瞬間脈沖放電可達(dá)10C。據(jù)悉,該團(tuán)隊(duì)所研制的電池已通過了采用國軍標(biāo)的第三方安全性能測試,安全性滿足使用要求。

  該研究證明了鋰硫電池在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用的可能性,不過在實(shí)現(xiàn)其實(shí)際應(yīng)用之前,仍需進(jìn)一步攻克電池循環(huán)性能差的瓶頸問題。

  同年11月,我國第一架由鋰硫電池驅(qū)動的大翼展無人機(jī)首飛成功。該無人機(jī)采用的鋰硫電池系統(tǒng),正是由中科院大連化物所陳劍團(tuán)隊(duì)研發(fā)。在飛行中,鋰硫電池系統(tǒng)為無人機(jī)提供了強(qiáng)勁動力,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)長滯空連續(xù)飛行,獲得了肯定與好評,標(biāo)志著鋰硫電池在實(shí)用化的道路上邁出了重要一步。

  福建物構(gòu)所在解決多硫化物穿梭效應(yīng)上取得積極進(jìn)展

  2018年2月,中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所與大連理工大學(xué)合作,選用含有硼酸和氰基的有機(jī)配體,通過自聚法構(gòu)筑了含有三嗪環(huán)和硼氧六環(huán)兩種功能基元的二元共價有機(jī)框架(COF)。該研究不僅解決了多種配體通過傳統(tǒng)的正交法構(gòu)筑二元COF面臨的產(chǎn)物分離純化難的問題,而且使用該COF作為硫的主體,利用其結(jié)構(gòu)規(guī)整、孔道均一和活性位點(diǎn)豐富等特點(diǎn),為研究主體材料和多硫化物的化學(xué)吸附機(jī)制提供了理想模型。通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計算,研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)三嗪環(huán)表現(xiàn)出強(qiáng)的親鋰性能,而硼氧六環(huán)表現(xiàn)出高的親硫性能,這種雙親性作用使TB-COF表現(xiàn)出優(yōu)良的多硫化物吸附能力,有效解決了多硫化物的穿梭效應(yīng),大幅度提高了鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Energy Storage Materials》上。

  此外,中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所還通過簡單的水熱反應(yīng)合成了負(fù)載硫化釩的還原氧化石墨烯(rGO-VS2)的層狀材料,并制備了一系列rGO-VS2片層與硫單質(zhì)層交替緊密堆積形成的三明治結(jié)構(gòu)rGO-VS2/S正極材料。rGO-VS2片層與活性硫?qū)咏惶嫘纬傻娜髦谓Y(jié)構(gòu)可以通過三維方向上的彈性收縮膨脹承受充放電循環(huán)過程中活性材料的體積變化。同時,由于硫化釩具有較高的極性、導(dǎo)電性和電催化活性,少量硫化釩負(fù)載在石墨烯片上即可有效地抑制多硫化物的穿梭效應(yīng),促進(jìn)整個硫單質(zhì)層的氧化還原反應(yīng),從而提升硫活性物質(zhì)的利用率和循環(huán)穩(wěn)定性。負(fù)載89 wt% 硫的rGO-VS2/S具有1.84 g cm-3的高振實(shí)密度,在0.1 C放電條件下其體積比容量達(dá)到了1182.1 mA h cm-3,循環(huán)100圈仍能保持在1050 mA h cm-3。該研究表明在可伸縮的三明治結(jié)構(gòu)中引入高導(dǎo)電性和強(qiáng)多硫化物吸附能力的電催化組分可以得到具有優(yōu)越性能的鋰硫電池正極材料,這為開發(fā)長壽命、高能量密度鋰硫電池提供了新思路。

  西南大學(xué)應(yīng)對鋰硫電池穿梭效應(yīng)研究獲進(jìn)展

  2018年2月,西南大學(xué)材料與能源學(xué)部徐茂文教授課題組設(shè)計并合成了雙層核殼NiO-NiCo2O4異質(zhì)結(jié) C空心納米籠作為硫的載體,并首次應(yīng)用于鋰硫電池中。這種空心結(jié)構(gòu)不僅能夠?yàn)榱虻拇鎯μ峁┏渥愕目臻g,還能有效應(yīng)對硫充放電過程中的體積效應(yīng)。此外,NiO-NiCo2O4異質(zhì)結(jié)納米籠能夠利用自身組成的獨(dú)特優(yōu)勢,有效抑制多硫化物溶解擴(kuò)散,緩解電池的穿梭效應(yīng)。基于這種獨(dú)特的設(shè)計,該材料作為鋰硫電池的正極,表現(xiàn)出較高的比容量以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性。電池中國網(wǎng)獲悉,該研究成果為徐茂文團(tuán)隊(duì)與美國麻省理工大學(xué)陳育明博士合作完成,并以“Double-Shelled NiO-NiCo2O4 HeterostructureCarbon Hollow Nanocages as An Efficient Sulfur Host for Advanced Lithium-SulfurBatteries”為題發(fā)表在國際能源頂級期刊《Advanced Energy Materials》(先進(jìn)能源材料)上。

  青島能源所成功制備柔性載硫體用于高性能鋰硫電池

  2018年10月,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組基于正極載硫體的改性,制備了一種“類鋼筋混凝土”結(jié)構(gòu)的柔性載硫體,實(shí)現(xiàn)了鋰硫電池的高載硫量、高硫利用率和長循環(huán)壽命。以石墨烯薄膜為集流體,木質(zhì)素纖維與碳納米管為復(fù)合載體,該柔性載硫體具有優(yōu)異的導(dǎo)電率及聚硫化合物錨定能力,同時結(jié)合了石墨烯的去極化特性。以該集流體組裝的鋰硫電池,0.1C下電池容量高達(dá)1632.5 mAh g-1(97.5%的理論容量),1.0C下循環(huán)500圈容量保持率為86.5%。即使在9.2 mg cm-2高載硫量下,該鋰硫電池依然表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性,0.5C下經(jīng)過100圈循環(huán)容量保持率達(dá)91.5%。該工作對提高鋰硫電池硫利用率和循環(huán)壽命提供了一種新的思路。

  中南大學(xué)在鋰硫電池關(guān)鍵指標(biāo)協(xié)同問題上取得重大突破

  2018年6月,中南大學(xué)賴延清教授團(tuán)隊(duì)在鋰硫電池高安全、長壽命與高比能難以協(xié)同問題的研究上取得重大突破,在S-C復(fù)合材料構(gòu)筑、循環(huán)衰減機(jī)制以及截硫?qū)т嚪椒ǖ确矫嫒〉昧艘幌盗袆?chuàng)新性成果,相關(guān)研究成果在Nano Energy 、Energy Storage Materials和J.Mater. Chem. A等相關(guān)能源材料Top 期刊上發(fā)表。賴延清教授作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人,還申報獲批了2018年度國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目,預(yù)計項(xiàng)目實(shí)施3年內(nèi),將在國際上率先實(shí)現(xiàn)高比能(當(dāng)前電池的2倍以上)鋰硫電池的工程化制造與裝車應(yīng)用示范。

  同年7月,中南大學(xué)對賴延清教授團(tuán)隊(duì)“高比能鋰硫電池技術(shù)”成果通過協(xié)議定價方式確定轉(zhuǎn)讓價格的成果轉(zhuǎn)讓事項(xiàng)進(jìn)行了公示。據(jù)悉,該項(xiàng)成果轉(zhuǎn)讓總經(jīng)費(fèi)高達(dá)1.4億元,如此高額的成果轉(zhuǎn)讓金額在國內(nèi)高校中極為少見。

  兩高校合作研發(fā)出鋰硫電池關(guān)鍵材料

  2018年9月,南方科技大學(xué)盧周廣教授課題組和華南師范大學(xué)商超群博士聯(lián)合設(shè)計并制備了碳化鉬三維結(jié)構(gòu)納米纖維,該材料作為鋰硫電池關(guān)鍵部件的三維集流體材料,能夠延長使用壽命、提高電池循環(huán)穩(wěn)定性以及倍率性能,將加速鋰硫電池的實(shí)用化進(jìn)程。

  據(jù)悉,采用這種新型材料制備集流體與傳統(tǒng)制備硫電極的漿料涂膜法相比,避免了非活性組分如黏合劑、導(dǎo)電劑、鋁集電體產(chǎn)生的‘死體積’問題,進(jìn)一步提高了鋰硫電池的體積、質(zhì)量、能量密度,解決了鋰硫電池量產(chǎn)的瓶頸問題。

  除了上述列舉的最新鋰硫電池研發(fā)相關(guān)成果以外,還有不少科研院校在鋰硫電池研發(fā)上有一定的進(jìn)展。不過,通過上述梳理可以發(fā)現(xiàn),現(xiàn)階段鋰硫電池的研發(fā)仍然以科研院所為主,產(chǎn)品尚未完全走出實(shí)驗(yàn)室,因此企業(yè)的參與度與積極性都不是很高。但不可忽略的是,隨著鋰硫電池相關(guān)技術(shù)的逐步成熟,科研機(jī)構(gòu)正在與企業(yè)進(jìn)行合作,在無人機(jī)等輕量化領(lǐng)域先行試水和推廣應(yīng)用,對推動鋰硫電池早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并應(yīng)用到新能源汽車上具有積極意義。



關(guān)鍵詞: 鋰硫電池

評論


技術(shù)專區(qū)

關(guān)閉