锂硫二次电池研究进展及前景展望-第2页-北极星储能网

投稿

我要投稿

4.二元金属硫化物

大部分锂硫电池以单质硫为活性物质，除此之外，二元金属硫化物为正极的锂硫电池凭借其较大的理论比容量和成熟的合成工艺，同样吸引着研究者的关注。Yufit利用恒定电流在Ni基底上沉积了厚度约1μm的多孔泡沫状FeSx薄膜，在1C的充放电倍率下650次循环之后的单周容量损失低于0.06%，使用寿命长，性能稳定。Han 等借助球磨法制备了金属镍丝与单质硫的复合材料，首周放电比容量为580mAh/g，200圈后保持在550mAh/g，衰减率极低。由此可见，以二元金属硫化物作为正极材料的电池具有良好的循环性能，但实际比容量明显小于以上3类材料所制得电池，其较低的功率密度和活性物质利用率等缺点仍有待克服。

5.制备工艺的改善

很多研究工作在传统工艺的基础上提出了新的方法，以改善材料的部分电化学性能。例如采用包覆工艺制备正极活性材料，以提高电池的工作循环能力。Huang等在有序碳纳米管阵列的一端包覆了一层PEG，并与单质硫进行复合制备正极，在0.1C倍率下进行100次循环，容量衰减率低至0.38%。Nazar课题组[20]则通过PEG溶液浸渍方法，对CMK-3/S 复合物进行表面包覆，0.1C倍率下获得了1320mAh/g的首次放电比容量，且库仑效率为99.9%，表明穿梭效应几乎完全得到了控制。

许多研究工作集中于采用化学方法对锂硫电池进行改性，最近有学者报道了通过物理气相沉积方法，例如磁控溅射法，对锂硫电池进行改性并且实现了稳定的循环性能。以活性炭(AC)作为导电基体，单质硫作为活性物质，制备了锂硫电池正极材料S/AC，并采用射频磁控溅射法将Al和Ti分别沉积在S/AC电极表面(图1)，对电极进行改性处理，以期提高电池性能。实验表明在0.5C充放电倍率下，正极表面镀钛和镀铝的锂硫电池初始放电比容量分别为1255mA/g和1257mAh/g，100次循环后保持在722mAh/g和977mA/g，库仑效率高于97%。

此外，有研究者提出在正极和隔膜之间插入导电夹层，也能够有效改善电池性能, 例如多壁纳米碳管夹层，石墨烯夹层等。李合琴课题组用滤纸制备了导电碳膜，并进一步利用磁控溅射法在碳膜表面沉积了金属铝薄膜(图2)。含有镀铝碳膜的电池性能得到了极大的改善，1C时首次放电比容量为1273 mAh/g，100循环之后仍保有924 mAh/g的可逆容量，并且200 循环之后的库伦效率仍维持在95%以上。

综上所述，含硫正极材料是决定锂硫电池比容量及循环性能的重要方面。使用介孔碳、聚合物、氧化物等多种材料与硫复合，主要目的是从阻止多硫化物向电解液扩散、抑制穿梭效应、提高硫的导电性3方面入手，提高锂硫电池综合性能。

二、粘结剂

性能稳定的粘结剂有助于硫与导电剂的充分容和，以及正极集流体和活性材料的紧密接触，因此需满足以下特性：粘接性好，制浆均匀，具有比较高的电子和离子导电性。常用的粘结剂主要有聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、白明胶、β-环糊精等。Rao M等[23]研究了聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氧化乙烯(PEO)、羧甲基纤维素钠+丁苯橡胶(CMC +SBR)3种粘结剂对以硫/碳纳米纤维复合材料为正极的锂硫电池电化学性能的影响。通过对比发现，当以CMC+SBR作为锂硫电池粘结剂时，电池性能最好。也有研究人员对比了环糊精、明胶、PVDF和聚四氟乙烯的性能，发现环糊精为粘结剂的锂硫电池电化学综合性能为最优。

三、电解质系统

1.液态有机溶剂电解质

碳酸酯类和醚/聚醚类电解液是目前较为成熟的商业化有机溶剂电解液。通常在电解液中加入适当的添加剂，以提高氧化还原反应活性。例如，以1mol/L双三氟甲基磺酸酰亚胺锂(LiTFSI)/乙二醇二甲醚(DME) +1,3-二氧戊环(DOL)(体积比1:1)为电解液，加入1%的LiNO3为添加剂，能够有效提高电池的比容量和库伦效率。也有研究人员以可溶性多硫化物为添加剂，用以抑制不溶的 Li2S 的产生，也能够明显提高电池的循环稳定性。

2.全固态电解质

固态电解质的密度以及结构特点能够让更多带电离子聚集在一端，传导电流更大，进而提升电池容量。相比于液态电解质而言，固态电解质的优势更明显，主要包括：抑制锂枝晶，循环稳定，安全性好，使用寿命长，能量密度高。全固态电解质通常是将锂盐掺杂到聚合物中以实现离子导电作用。Fisher[24]合成了基于LiTFSI和PEO的固态聚合物电解质薄膜，在0℃和25℃时的离子电导率分别为0.117 mS/cm和1.20mS/cm，适于用作锂硫电池的电解质。Nagao课题组[25]以有序介孔碳CMK-3为导电基体制备正极材料，Li3.25Ge0.25P0.75S4为固体电解质，在500MPa的压强下将二者与锂负极叠放并压制成全固态电池，50次循环后的可逆容量高于1000mAh/g。

目前困扰全固态电池实现产业化的主要问题有2个：一是固态电解质在室温条件下的离子电导率不高;二是固态电解质与正负极之间的界面阻抗较大。近年来已经有研究机构在这些方面取得了突破性进展，例如青岛储能产业技术研究院(简称“青岛储能院”)提出“刚柔并济”的固态电解质设计理念，发挥不同材料的优势，创新地复合“刚性”多孔骨架材料和“柔性”聚合物离子传输材料。为有效降低界面阻抗，他们提出“原位自形成”机制，首先将液态单体分子浸润电极界面，再原位聚合为高分子量的固态电解质。此“原位自形成”体系在有效解决固固界面离子传导问题的同时，有效改善了锂离子在界面的分布从而抑制锂枝晶;为了解决在固态电池在实际应用中，不可避免的挤压、穿刺等现象带来的固固界面失效问题，青岛储能院利用热可逆聚合物的温度响应凝胶化过程，构筑了具有“冷却恢复”功能的固态电池体系。在受到强烈挤压或折叠后，电解质与电极的接触虽然被破坏，电池性能骤降，但可通过简单的低温冷却步骤重塑有效的固固界面，实现电池性能的高效恢复。

3.凝胶聚合物电解质

将锂盐和聚合物加入增塑剂，在适当的有机溶剂中互溶，能够形成结构稳定、可塑性强并具有出色的离子传输能力的凝胶聚合物网络。Wang 等采用PVDF与六氟丙烯在特定的电解液中浸渍制备凝胶电解质，其离子电导率为1.2 mS/cm。Rao等通过静电纺织法制备高孔隙率的聚合物电解质膜，并与不同的离子液体结合制备新型凝胶聚合物电解质。以碳纳米纤维-硫复合物为正极和PAN/PMMA聚合物膜与电解液N-甲基-N-丁基哌啶二(三氟甲基磺酰)亚胺(PPR14TFSI):聚乙二醇二甲醚(PEGDME)(1:1)组成的凝胶聚合物电解质组成新型锂硫电池系统，在0.1C下50次循环后容量保持在760 mAh/g。

4.离子液体电解质

离子液体是指全部由离子组成的液体，具有低蒸汽压、良好的离子导电导热性、液体状态温度范围广、难挥发、不燃烧、电化学稳定电位窗口比其它电解质水溶液大很多等特点。因此，将离子液体应用于电池的电解质，可以减轻自放电，提高系统的稳定性和安全性，在新型高性能电池、太阳能电池以及电容器等研究领域具有广阔的应用前景。

Sun等以0.5M的LiTFSI/甲基丙基吡啶双三氟代甲烷磺酰亚胺为电解液应用于锂硫电池，在室温下以0.05C的倍率测试，初始比容量高达1420mAh/g;升温至50℃时，首放比容量仍有1350mAh/g，10圈后为782mAh/g，高温稳定性较好。也有报道将5%～10%的咪唑基离子液体添加于液态电解质中，电池的电化学性能和低温稳定性得到很大的提升。

在液态电解液的锂硫电池中，随着多硫化物的不断溶解，电解液的粘度会逐渐增加，从而影响电池的放电能力。相比而言，固体电解质避免了电池中硫和多硫化物的溶解，但其传输速率却明显偏小。离子液体电解质则能够有效改善这类问题，具有较好的产业化前景。

原标题：锂硫二次电池研究进展及前景展望

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

订阅北极星周刊，精彩内容不再错过！

特别声明：北极星转载其他网站内容，出于传递更多信息而非盈利之目的，同时并不代表赞成其观点或证实其描述，内容仅供参考。版权归原作者所有，若有侵权，请联系我们删除。

凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创，转载需获授权。

锂离子电池查看更多>正极材料查看更多>电动汽车查看更多>

姓名：
性别：
出生日期：
邮箱：
所在地区：
行业类别：
工作经验：
学历：
公司名称：
任职岗位：

锂硫二次电池研究进展及前景展望

登录注册

绑定账号

想要获取更精准资讯推荐？建议您完善以下信息~

订阅成功

想要获取更精准资讯推荐？建议您
完善以下信息~