充電機充電鋰硫電池高性能電解液材料研究獲進展
2017-7-30 8:20:40??????點擊：
業(yè)內(nèi)普遍將充電機充電鋰硫電池作為化學儲能的未來發(fā)展方向，然而一直以來，充電機充電鋰硫電池面臨多硫化鋰“飛梭效應”和金屬鋰“界面不穩(wěn)定”的關鍵挑戰(zhàn)。科研人員往往使用硝酸鋰添加劑來解決上述問題，但是硝酸鋰、炭黑、單質(zhì)硫共存的充電機充電電池體系存在安全隱患。
不過，現(xiàn)在這一局面有望大幅改觀。中科院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民、李先鋒和副研究員張洪章團隊，設計、制備出一款不含硝酸鋰的高性能電解液，實現(xiàn)了在充電機充電鋰硫電池器件中的應用，這給充電機充電鋰硫電池電解液材料的設計制備帶來了新思路。
那么這款高性能電解液有哪些技術上的突破、充電機充電鋰硫電池的優(yōu)勢以及前景如何，圍繞這些問題，記者專訪了張華民。
高性能電解液問世
記者：您所在的團隊設計、制備出這款電解質(zhì)溶液，其性能優(yōu)勢有哪些？
張華民：首先，自制電解液的安全性好。此前充電機充電鋰硫電池用的電解液含有大量的硝酸鋰，其與碳硫復合物混合時，成分與“黑火藥”類似，因此存在很大的燃爆隱患。我們團隊研制的電解液不含硝酸鋰，安全性更加優(yōu)異。
其次，自制電解液的穩(wěn)定性好。研發(fā)的電解液可以使充電機充電鋰硫電池連續(xù)穩(wěn)定循環(huán)30次以上，按照一天充放電一次的使用模式，該充電機充電電池可以確保無人飛機長達1個月的不間斷飛行。這一性能屬于目前公開報道的最好性能。
再次，自制電解液的容量發(fā)揮好。研發(fā)的電解液采用二氧戊環(huán)（DOL）作為溶劑，首次實現(xiàn)了較高的容量發(fā)揮，使充電機充電鋰硫電池在0.2 C的快速充放電過程中依然達到350 Wh/kg的能量密度。
記者：取得電解液材料研究進展，前后用時多久？
張華民：電解液是決定充電機充電鋰硫電池性能的關鍵材料之一，是充電機充電鋰硫電池技術發(fā)展的瓶頸技術。自2013年10月，團隊開始將電解液作為主要突破點，致力于開發(fā)出安全性好、使用壽命長的充電機充電鋰硫電池。到2016年8月，團隊在電解液領域取得初步進展，研制出一類不含硝酸鋰的高性能電解液，并在大容量（4—60 Ah）充電機充電鋰硫電池中獲得成功應用，研發(fā)歷時2年零10個月。
技術攻關充電機充電鋰硫電池挑戰(zhàn)
記者：團隊在充電機充電電池技術方向上，專攻哪些技術方向？
張華民：目前，大連化物所儲能技術研究部在充電機充電電池領域的研究主要側(cè)重三個方向：一是大規(guī)模、固定式充電機充電電池儲能技術,包括全釩液流充電機充電電池、鋅溴液流充電機充電電池、鋅鎳液流充電機充電電池及鉛碳充電機充電電池；二是高比能、動力充電機充電電池技術，如充電機充電鋰硫電池。研究重點是開發(fā)充電機充電電池關鍵材料，例如電解液、碳硫復合物、隔膜等。三是可在環(huán)境溫度零下40 ℃—零上50 ℃運行的全天候，高能量密度、高放電倍率充電機充電電池。
記者：在充電機充電鋰硫電池領域，團隊都做了哪些努力和突破？
張華民：研究團隊以充電機充電鋰硫電池器件的產(chǎn)業(yè)化為目標，對限制充電機充電鋰硫電池發(fā)展的關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）及關鍵技術（電極涂覆、充電機充電電池裝配、充電機充電電池化成等）開展了細致的研究，并取得相應的突破。
例如，在正極材料方面，開發(fā)出比表面積2300 m2/g,孔容為8 cm3/g的高性能多孔碳材料，并通過自創(chuàng)的“相轉(zhuǎn)化”成型工藝，制成具有獨特“三連續(xù)”結(jié)構的充電機充電鋰硫電池電極；在隔膜材料方面，開發(fā)出具有納米級離子傳輸孔道的離子選擇透過隔膜；在充電機充電電池器件方面，制成30Ah以上級鋰硫一次充電機充電電池，能量密度達到900 Wh/kg以上。
記者：充電機充電鋰硫電池目前在技術上還面臨哪些瓶頸，下一步團隊將在哪方面繼續(xù)努力？
張華民：充電機充電鋰硫電池目前還存在很多技術挑戰(zhàn)。我們團隊將在三個方面繼續(xù)努力：繼續(xù)提高充電機充電鋰硫電池的循環(huán)使用壽命；繼續(xù)提高充電機充電鋰硫電池的安全性；開發(fā)出能量密度超過1200Wh/kg的鋰硫一次充電機充電電池。
鋰硫未來發(fā)展空間大
記者：在業(yè)內(nèi)看來，目前充電機充電鋰硫電池具有較高的能量密度和低廉的成本，是儲能領域的重要研究方向，能具體談談嗎？
張華民：首先看充電機充電鋰硫電池的能量密度。在已知的充電機充電電池負極材料中，金屬鋰的電位最負、比容量較大。在已知的正極材料中，單質(zhì)硫的電位適中、比容量也較大。充電機充電鋰硫電池是將金屬鋰和單質(zhì)硫組成充電機充電電池，其理論比能量可以達到2600 Wh/kg，是目前商品化鋰離子充電機充電電池理論比能量的3—5倍。做成電芯產(chǎn)品后，充電機充電鋰硫電池的實際能量密度依然可以達到300—900 Wh/kg的較高水平，而商品化鋰離子動力充電機充電電池的能量密度僅為100—200 Wh/kg。即使將鋰離子充電機充電電池的負極換成金屬鋰，其能量密度依然大幅低于充電機充電鋰硫電池。因此，充電機充電鋰硫電池具有很大的技術吸引力，是當前儲能領域的重要研究方向。
其次，關于充電機充電鋰硫電池的成本。材料成本低廉是充電機充電鋰硫電池的固有優(yōu)勢。根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的電芯組成和工藝條件，可以估算不同充電機充電電池電芯原材料成本價格。
對充電機充電鋰硫電池來說，正極材料主要為碳硫復合物，成本非常低，成本主要來自于金屬鋰和電解液。充電機充電鋰硫電池的電解液用量占電芯質(zhì)量的30%—50%，是鋰離子充電機充電電池的2—3倍。隨著充電機充電電池正負極性能的提高，充電機充電鋰硫電池所需電解液的用量將大幅下降，成本會進一步降低。根據(jù)我們實驗室6 Ah軟包裝充電機充電鋰硫電池估算，電芯成本約為0.21元/Wh，與以金屬鋰為負極、以富鋰錳材料為正極的金屬鋰離子充電機充電電池相近，但是比目前商業(yè)化鋰離子充電機充電電池的成本低得多。
然而，用戶在選擇充電機充電電池的過程中，考慮的不僅是其瓦時成本，還需要考慮其循環(huán)壽命。目前為止，美國SionPower公司（充電機充電鋰硫電池領軍企業(yè)）開發(fā)的400 Wh/kg的、以金屬鋰為負極的鋰離子充電機充電電池在160次循環(huán)的能量剩余為50%，這與以石墨為負極的鋰離子充電機充電電池數(shù)千次的循環(huán)壽命相差甚遠。如果計算單次循環(huán)成本，充電機充電鋰硫電池的成本優(yōu)勢并不明顯。因此，從使用成本的角度考慮，充電機充電鋰硫電池的循環(huán)壽命仍需要進一步提高。
記者：目前充電機充電鋰硫電池還處于實驗室階段，在您看來，充電機充電鋰硫電池什么時候能實現(xiàn)量產(chǎn)，未來發(fā)展空間如何？
張華民：充電機充電鋰硫電池涉及很多技術問題，如循環(huán)壽命短、金屬鋰穩(wěn)定性差、電解液易燃等。隨著這些問題不斷得到解決，充電機充電鋰硫電池的應用領域也將不斷得到擴展。
目前，鋰硫一次充電機充電電池的比能量已經(jīng)達到900 Wh/kg，可以在一些領域獲得應用。然而，鋰硫二次充電機充電電池的循環(huán)壽命還很短，還不到鋰離子充電機充電電池的1/10，尚需要經(jīng)歷相當長的發(fā)展歷程。
從實用角度講，充電機充電鋰硫電池有可能首先在對比能量要求較高的無人機等領域獲得應用，并逐步向電動車領域擴展。該充電機充電電池的發(fā)展空間很大，但技術挑戰(zhàn)與發(fā)展機遇并存。
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