韓國成功開發(fā)鋰-硫電池電極新材料
近期,韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)新材料工程學(xué)系金都京(音譯)教授團隊開發(fā)了一種全新的鋰-硫二次電池電極材料,可以抓取碳素纖維之間的硫,這類似于毛細管對水的吸收現(xiàn)象。此次研究是EEWS研究中心的氣候變化研究核心業(yè)務(wù),也是韓國研究財團的中堅研究支持業(yè)務(wù)。這種鋰-硫電池具有低重量和高容量的優(yōu)點,有望實現(xiàn)商用化,這一研究成果已經(jīng)刊登于國際學(xué)術(shù)雜志《Nano Letter》2018年的第18期。
近年來,隨著電動汽車和大容量能源儲存系統(tǒng)(ESS)需求的迅猛增長,能量密度更高的二次電池開發(fā)也勢在必行。鋰-硫電池作為第二代高容量鋰離子電池備受矚目,從理論上講,與鋰離子電池相比,能量密度高出了約6倍以上。不過,硫的電導(dǎo)率較低,在充電和放電的過程中也會發(fā)生體積變化,鋰的多硫化物中間相作為電解質(zhì)熔化而排出,這阻礙了鋰-硫電池的商用化。
為了解決這一問題,將多孔碳粉末包裹硫,由此提高了導(dǎo)電率,減小了體積變化,從而阻止了多硫化物的熔化,這就是硫-碳電極的開發(fā)目標。不過,這樣球形的零維碳粉末在粒子間會生成無數(shù)個接觸電阻,也會使得包裹硫的過程變得更為困難,必須采用高分子粘合劑進行粒子間的連接。 為了克服現(xiàn)有碳材料的缺點,研究團隊通過電噴射制作出大量的一維形態(tài)的碳纖維,固體硫粉末被泥漿(固體和液體混合物或細微固體粒子在水中的懸濁液)打濕后干燥,從而開發(fā)出接觸電阻大幅減少的硫-碳電極。
研究團隊通過掃描電鏡(SEM)進行觀察,發(fā)現(xiàn)固態(tài)硫通過電化學(xué)反應(yīng)變成了液態(tài)鋰多硫化物的中間產(chǎn)物,這與紙張對水的吸收非常類似,這些碳纖維粒子之間實現(xiàn)了連接,在充電和放電過程中都可以保持這種狀態(tài),也不會發(fā)生熔化。因此,在沒有包裹硫的情況下,碳纖維粒子之間也實現(xiàn)了有效閉合。現(xiàn)有的研究成果中,單位面積的硫含量僅在2mg/cm2以下,而此次研究的單位面積的硫含量超過了10mg/ cm2,單位面積容量達到了7mAh/ cm2,遠高于現(xiàn)有鋰離子電池單位面積容量1~3mAh/ cm2的水平。
與現(xiàn)有的電極制造方式完全不同,在金屬蓄電體上涂上電極物質(zhì),電極的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,此舉將有利于拓寬未來鋰離子電池的研究范圍。這項研究成果標志著高容量鋰-硫電池的開發(fā)又邁進了一步,未來還有望應(yīng)用于電動汽車和無人飛機。

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