【锂产业国际高峰论坛】王东海 :基于正极、负极和电解液的下一代锂硫电池制作工艺

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美国宾夕法尼亚州立大学机械工程与化学工程系终身教授 王东海 

作为一另有几条 大学的教员,我要从学术深度1谈一下新型的电池技术,许多人做锂电池技术包括下一代的锂金属电池技术肯能有七八年了,锂硫电池是一另有几条 重要的研究方向,许多人组主要进行了许多材料,包括正极,包括电解液,包括负极的研究。

许多人看一下锂硫电池的反应路径,它潜在有高能量,否则 却是一另有几条 低成本的电池,肯能它正极用的硫,硫非常便宜,负极是金属,作为青海的材料基地,咋样作为下一代电池的附加材料肯能是高成本材料,咋样合成新型的锂负极也是非常好的方向,我估计未来十年二十年锂硫电池的技术应用在许多特殊的领域,我相信许多人能看多另一另有几条 的产品。

锂硫电池是一另有几条 化学反应,硫和锂的化学反应,并前会嵌入嵌出的过程,前会还能不能转化成化学能量,转化成电化学。能量值达到13000毫安时每克,一般来说现在能应用到30000到13000,也假若说锂硫电池和锂离子电池不一样,它是另有几条 离子的转移,这假若它潜在的高能量的因为着。

但它前会全都有间题,三种的间题,也包括许多性能的间题,我这里列出了几条间题,硫是一另有几条 绝缘体,它产生中间不同的多硫化物,电池是氯化氢气体材料,否则 多硫化物是可不都要溶解在中间的材料,这就造成了繁杂性,包括它来回的穿梭。还有最终的产物锂二硫是不可逆的转化,肯能三种颗粒是化学转化的反应,当颗粒比较大的事先,电化学的动力学就非常慢,很难用到百分之百的另有几条 例子,也假若在1.几条电子的事先往往得非要它的能量,这是锂二硫的不可逆生长。当然锂硫电池也包括锂,咋样高效沉积运用锂金属最终成为负极,这也是多年的间题。

许多人组做锂硫电池着实 有几年了,包括正极的开发,包括电解液和正极的保护,今天我主要讲另有几条 方面,首先是正极,否则 是电解液,最后介绍一下负极材料。

从正极材料深度1讲,许多人最初在研究三种锂硫正极的事先,碳材料是应用最广泛的,否则 接触到锂硫电池事先,它非要不考虑多硫化物的溶解与穿梭。前面吴教授也说了隔膜对多硫化物的阻挡作用,许多人在想运用到一另有几条 新型的碳材料除了多孔还有吸附。应用了许多功能化的多孔碳材料,通过吸附,这是X光的光谱来检测硫和氧的光谱,发现锂硫电池中碳材料和氯化氢气体流跟多硫化物有这样吸附作用,这是化学光谱谱图(ppt),在氧和硫之间有相互作用,同去硫和氧形成硫酸根的键合和传统的这样硫酸根的是不一样的,可不都要看出它的组份的下皮 功能团的铺图分溶解来,形成一另有几条 氧硫键,可不都要在氧和硫的图谱上都能确认。

最主要的是三种确认前会许多化学吸附,对多硫化物有许多吸附,肯能说比较一下传统的吸附剂,包括多孔二氧化硅,多孔碳到多孔二氧化二铝,吸附性非常强,尽管它的孔体积并不这样大,否则 在同样克数的材料,吸附10倍以上的增长,这假若一另有几条 新型碳材料在里六当中的应用,许多人可不都要扩展到不同的碳功能团。

运用到三种电池当中,往往都要有新的功能性,包括它咋样能应用在电极制作。许多人也运用了合成法律法子,形成像石墨三种材料的形貌的多孔的功能碳球,在10到20微米左右大小,另一另有几条 大小的碳球结核硫就很容易结合现有的技术,形成有一定碳硫载量的正极材料,可不都要用于锂硫电池。

下一步介绍一下电解液,锂硫电池的电解液是一另有几条 醚类的电解液,传统的电解液和硫有相互作用,醚类的电解液包括盐和溶剂。锂硫电池有一另有几条 性能,通过打断硫硫键来往复应用化学能转化为电能,硫硫键往往前会硫硫,往往是全都有硫化物肯能是含硫硫键的化合物前会贡献能量的作用。肯能你看电解液90%是溶剂,许多人早期想把溶剂一每段的量来用含硫硫键的化合物来替换,不还能不能贡献它的容量。

最近许多人有许多研究的进展,通过有机硫硫化合物前会还能不能改变传统锂硫电池的路径。三种工作许多人也是非常激动,肯能它着实 前会还能不能改变反应路径。这是放电的一另有几条 曲线(ppt),传统锂硫电池放电和新型电解液当中的放电,这是透明的三电极的电池,能看出在不同阶段的放电,许多人能看出多硫化合物的产生,以及三种新型电解液的溶液电解质的颜色变化,许多人也可不都要从中取样做许多在线的NMR肯能是XPS的核磁共振和下皮 分析。尤其能看出它这样传统锂硫电池多硫化合物的产生,三种主要因为着是肯能加入了二甲基硫醚,关键三种化合物和硫有相互作用,全都有它改变了传统锂硫电池的充放电曲线,传统的有另有几条 电压曲线,三种电压稳定在2.0左右,否则 它的容量保持率以及容量是非常高的。

三种主要的因为着,许多人也做了一另有几条 在线的核磁共振的分析,三种在线核磁共振假若当你放电充电的事先,你能通过取样来做NMI,肯能许多人加入了二甲级硫醚事先有质子,通过质子的核磁共振来监测反应的中间产物。许多人可不都要从透明的电池看出来,它这样传统的多硫化合物,假若许多其它的硫化物的形式。三种地方有一另有几条 二甲级三硫,以及最终的产物是甲级硫锂的产物,通过它的D放电,通过C,可不都要发现中间产物是二甲级三硫,跟锂硫电池三硫二锂很什儿 ,能看出在放电的事先它不断减小,充电的事先不断增加。在放电中,它会产生,肯能它是最终的放电产物,在充电的事先它又消失,最终能被利用。

这是许多人在改变锂硫电池的路径方面做的研究(ppt),通过加进新型电解液。

最终比较一下,在传统锂硫电池中,三种硫在碳下皮 成为电化学反应,通过锂离子在导电下皮 的氧化还原反应,激活硫硫键,成为多硫化合物,许多人加入三种二甲级硫醚事先,首先产生多硫化合物,最终的反应产物是甲级硫锂跟锂二硫并存,它有一定的电解性,你还能不能利用它的产物利用出来1.5到1.8的电子性能。肯能许多人所有的试验中电解液前会控制的,前会还能不能取代一定的电解液,全都有总体来说会有一定的提高,这是一另有几条 简单的总结,在不同电解液情况汇报下,锂硫反应路径有那此不同。

许多性能的比较,首先它的容量是有很大提高的,另外它的电压曲线极化有降低,肯能有润滑剂的作用。这是利用硫硫键在不同形式当中,可不都要结合无机的硫和有机的硫,使三种充放电更快,极化更小,最终它的容量能提高,同去许多人也可不都要降低氯化氢气体和氯化氢气体硫的比例,前会还能不能让它的整体电量提高全都有。

最后一每段,介绍一下负极材料,锂硫电池从正极、电解液到负极,包括隔膜,着实 有一另有几条 综合匹配的过程,任何用锂金属的电池前会有锂金属的间题,许多人可不都要看看在锂金属方面,锂硫电池中也是有许多独特的东西。

许多人知道锂金属是沉积溶解,石墨是嵌入,硅是合金反应,最终是通不足英文电量下的锂的氧化还原反应贡献电量。肯能锂的下皮 比较活泼,全都有往往形成一另有几条 固液界面,锂金属在沉积的过程中会不断地位移,最终会有裂缝,三种裂缝因为着整个电流密度不均匀,锂质金就肯能生长。锂硫电池有一另有几条 好处,有多硫化合物,跟锂是非常容易反应的,全都有它会火山玻璃形成一另有几条 膜。三种膜是多硫化合物产生的一另有几条 无机的固化膜,也容易破碎。

全都有许多人研发了三种杂化膜,有有机的成分,前会无机的成分,同去利用锂硫的化学,产生许多原位产生的固液界面膜,它不断地侵蚀产生的裂缝,否则 把裂缝再弥补成一另有几条 固液界面膜,另一另有几条 前会有裸露的锂金属,另一另有几条 锂金属就相对稳定,可不都要循环全都有。

这是许多结果比较(ppt),肯能说传统的锂金属沉积不均匀,会产生许多分散的锂堆积,也会有许多锂的质积。多硫化合物会产生许多下皮 涂层,来保护锂,杂化的电解液和涂层已经 锂的沉积更均匀,从低分辨到高分辨,并不同的视角都能看出空间是均匀的。

再一另有几条 是锂的形貌假若一样,三种形貌通过杂化的电化学,有活性的高分子涂层锂的形貌非常的均匀,在多硫化合物当中的锂相比这样多硫化合物的锂均匀,但你什么都这样能看出它有全都有的缺点。这样任何保护的锂就会非常不均匀,这里就会产生最终的锂硫电池的容量损失,运用新型的电化学源膜来保护锂的沉积。

三种膜的界面也非常稳定,通过几百次的循环,它的阻抗也是非常低的。全都有现在许多人正在应用三种膜技术来结合许多人的锂硫的正极和电解液来开发下一代高能量循环更长的锂硫电池,许多人着实 有许多技术,有许多数据,否则 时间因为着你还能不能什么都这样这多说了,这是简单的锂沉积与溶解中的电化学测试,假若在一另有几条 不对称电池中,锂沉积在一另有几条 铜片上,看锂沉积和溶解的传输波特率,应该说是属于中等的,在文献中是很高的了。它的循环传输波特率前会还能不能在99%,差不多在3000次左右,全都有这也算不算 一另有几条 进步,否则 总体来说,今天我要给许多人分享的是下一代技术锂硫电池跟传统的锂离子的嵌入嵌出不太一样,许多人都要结合材料的深度1、电化学的深度1来处理它的正极、负极、电解液以及整个电池制作工艺。

以上假若我的发言内容,谢谢许多人!

(本文根据速记分派,未经嘉宾审核)

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