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Science观点:锂硫电池,飞跃就绪

编者按:昨日,最新一期Science发表了一篇关于锂硫电池前景的最新解读,小编马不停蹄地将其翻译成中文,以飨读者。本文仅供学术交流,转载请联系清新电源公众号。

Science观点:锂硫电池,飞跃就绪

锂硫电池,飞跃就绪

——颇具前景的化学电源开始同锂离子电池在商业场上同台竞技

特斯拉,当心了!OxisEnergy(位于英国阿宾顿的一家创业公司)的研究人员正在研发一种使用锂和硫的复合电池(译者注:即后文“锂硫电池”)。这种电池的千克比电容量比当今车用锂离子电池高出两倍。然而这种电池无法长期工作,100余次充放电循环便可能损坏。但是这家公司仍然希望他们的电池能够在航空、潜水和军事等领域“施展拳脚”,因为这些应用领域对电池的重量限制严格而对电池的价格和寿命相对要求不高。Oxis的小型试点工厂电池年产量目标为10,000到20,000,这些电池将会被以极薄软包的形式安装在手机中。

Science观点:锂硫电池,飞跃就绪

2014年,空客公司(Airbus)Zephyr 7大黄蜂无人驾驶飞行器依靠锂硫电池不间断飞行11天

对于Gigafactory(译者注:位于美国的一家为特斯拉制造锂离子电池的公司)来说,Oxis公司的目标却不是——至少目前不是——他们的“菜”。该公司CTO David Ainsworth表示他们瞄准了更高远的目标:价值高达一千亿美元的电动汽车市场。“接下来的几年至关重要”,Ainsworth说。Ainsworth和同事认为锂硫电池将当仁不让地继承锂离子电池,成为未来电池技术的“统治者”。

近期一连串的报告显示了锂硫电池的性能和寿命问题是可以被克服的,这些结果极大地激励了Ainsworth和同事们。“你正在目睹(锂硫电池)在各方面的飞速进步”,加州劳伦斯-伯克利国家实验室化学家Brett Helms说到。另一些研究人员,如加拿大滑铁卢大学化学家、锂硫电池先驱Linda Nazar对此依然保持谨慎。她认为制造出廉价、轻便、安全、小型化的锂硫电池“是一个极高的要求”。正所谓按下葫芦起来瓢,“你无法同时优化所有的指标”,她补充道。

Science观点:锂硫电池,飞跃就绪

锂硫电池可以比锂电池更小更轻,从而拥有更高的千克比电容量(纵轴)和体积比能量密度(横轴)

锂离子电池包含两个电极——正极和负极,隔在这两电极中间的液态电解液为锂离子在充放电循环时于两极之间来回移动提供通道。在负极一侧,锂离子(译者注:原文中为lithium atoms,疑为原文作者考虑到锂离子接受电子后形成原子)嵌入石墨层间。在电池放电时,锂原子失去电子而产生电流。余下带正电的锂离子则脱嵌并回到电解液。当为小至手机大至特斯拉电动汽车的用电器供电完成以后,电子最终流入正极(常由不同金属氧化物的混合物制成)。在这里,带正电的锂离子紧靠接受注入电子的金属离子。充电过程中,上述过程反向,在外部电压的驱使下锂离子脱出正极并返回负极。

金属氧化物正极是可靠的电极材料,但组成正极的金属(通常是钴、镍和镁)却价格昂贵。另外因反应过程中需要两个金属原子(译者注:一个锂原子,一个正极金属原子)“固定”一个电子,所以这些正极材料往往很沉,这使得电池的质量比容量被限制在200 Wh/kg以下。相比之下,硫更轻且一个硫原子可同时接纳两个电子。理论上,使用硫正极的电池质量比电容量可高于500 Wh/kg。

但是硫却不是一种完美的电极材料。当头一棒的便是硫的电绝缘性,它不能将电子传递给从负极而来的锂离子。这个“毁灭者”直到2009年才被干掉:这一年Nazar带领的一批研究者将硫负载在同负极材料相似的导电碳基底上解决了问题。这种方法行之有效,但也带来了其他问题。大多数碳结构(比如石墨)疏松多孔,因而增大了电池的体积,却没有相应增大电池的电容量。同时这也意味着许多昂贵的液态电解液将被消耗在填充碳孔。更糟糕的是,当锂离子与硫在正极一侧结合以后,二者反应会生成许多可溶小分子——多硫化锂。这个过程会损害正极、限制电池的寿命。多硫化锂还会移动到负极一侧,造成更大的破坏。

如今,锂硫电池在多方面正快速发展。目前已有三个研究团队在解决硫正极的问题上取得了突破。例如去年Helms领导的团队在Nature Communications上报道了将一种聚合物层附着在碳-硫正极上可将多硫化锂限制在正极表面并成功使得电池充放电循环100次的方法。德州大学奥斯汀分校ArumugamManthiram领导的团队将正极中的石墨采用石墨烯替代。据他们在1月12号出版的ACS Energy Letters上的报道,相比于传统的石墨,这种石墨烯骨架可负载五倍质量的硫,从而提升电容量。两周前,厦门大学郑南峰团队在Joule期刊报道了一种薄层聚丙烯包覆的氮掺杂碳颗粒隔膜。这种隔膜置于正极上,可捕获多硫化锂并将它们转换为无害的硫化锂颗粒。该隔膜提升了电池的输出能量并将使电池成功充放电循环500次。

其他工作则从电解液的调节来应对多硫化锂的问题。在2017年5月25日出版的ACS Central Science上,Nazar和她的同事就报道了一种可传导锂离子但限制可溶解性多硫化锂生成的一种电解质。

许多研究团队也瞄准了负极,致力于用纯金属锂来替换锂-石墨的复合物。金属锂负极的使用将使电池电容量提升至500 Wh/kg(足够支撑一辆充满电的车不间断行驶500公里),而对锂硫电池而言优点可能更多。然而当今纯金属锂负极的应用依然被充电过程中(锂离子从正极返回)的问题所制约:锂倾向在某区域聚集生长形成枝晶。这些尖锐的枝晶可刺穿电池隔膜(译者注:原文为“battery”,但此处译为隔膜更加准确)从而引发短路甚至起火。Oxis Energy和另一家电池创业公司——位于亚利桑那州图森市的Sion Power宣称他们已经制备出了具有自主产权的围绕锂金属负极屏障以防止尖锐枝晶的生长。本周的Nature Energy上,来自康奈尔大学的研究者们发表了使用锡合金以稳定锂负极的方法。

所有的这些进展都将助力推动锂硫电池的发展,位于伊利诺伊州雷蒙特阿贡国家实验室能量存储研究协同中心主任George Crabtree评论道,“很难判定这些突破是否是锂硫电池商业化所需的最后突破,但我的态度是乐观的”。世界各地的电动汽车驾驶员们都希望他的话是正确的。

本文由材料小兵翻译,感谢刘田宇博士校稿与修正!

原文链接:http://science.sciencemag.org/content/359/6380/1080?rss=1

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