【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 

作为一八个多大学的教员,我可不还都可以要从学术深层谈一下新型的电池技术,亲戚亲戚村里人 做锂电池技术包括下一代的锂金属电池技术机会有七八年了,锂硫电池是一八个多重要的研究方向,亲戚亲戚村里人 组主要进行了这种 材料,包括正极,包括电解液,包括负极的研究。

亲戚亲戚村里人 看一下锂硫电池的反应路径,它潜在有高能量,后后 却是一八个多低成本的电池,机会它正极用的硫,硫非常便宜,负极是金属,作为青海的材料基地,怎样才能作为下一代电池的附加材料机会是高成本材料,怎样才能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这种 特殊的领域,我相信亲戚亲戚村里人 能看后后后的产品。

锂硫电池是一八个多化学反应,硫和锂的化学反应,并全是嵌入嵌出的过程,太久可不还都可以转化成化学能量,转化成电化学。能量值达到1500毫安时每克,一般来说现在能应用到50到150,也后后说锂硫电池和锂离子电池不一样,它是一八个多离子的转移,这后后它潜在的高能量的原应。

但它全是后后这种 的问提,并全是的这种 的问提,也包括这种 性能的这种 的问提,我这里列出了几只这种 的问提,硫是一八个多绝缘体,它产生底下不同的多硫化物,电池是甲烷气体材料,后后 多硫化物是可不还都可以挥发掉在底下的材料,这就造成了简化性,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,机会这种 颗粒是化学转化的反应,当颗粒比较大的后后,电化学的动力学就非常慢,不难 用到百分之百的一八个多例子,也后后在1.八个电子的后后往往得不可不还都可以它的能量,这是锂二硫的不可逆生长。当然锂硫电池也包括锂,怎样才能高效沉积运用锂金属最终成为负极,这也是多年的这种 的问提。

亲戚亲戚村里人 组做锂硫电池真是 有几年了,包括正极的开发,包括电解液和正极的保护,今天我主要讲一八个多方面,首先是正极,后后 是电解液,最后介绍一下负极材料。

从正极材料深层讲,亲戚亲戚村里人 最初在研究这种 锂硫正极的后后,碳材料是应用最广泛的,后后 接触到锂硫电池后后,它不可不还都可以不考虑多硫化物的挥发掉与穿梭。前面吴教授也说了隔膜对多硫化物的阻挡作用,亲戚亲戚村里人 在想运用到一八个多新型的碳材料除了多孔还有吸附。应用了这种 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甲烷气体流跟多硫化物有没办法 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没办法 硫酸根的是不一样的,可不还都可以看出它的组份的表皮功能团的铺图分挥发掉来,形成一八个多氧硫键,可不还都可以在氧和硫的图谱上都能确认。

最主要的是这种 确认全是这种 化学吸附,对多硫化物有这种 吸附,机会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,尽管它的孔体积从不没办法 大,后后 在同样克数的材料,吸附10倍以上的增长,这后后一八个多新型碳材料在里六当中的应用,亲戚亲戚村里人 可不还都可以扩展到不同的碳功能团。

运用到这种 电池当中,往往不可不还都可以 有新的功能性,包括它怎样才可以应用在电极制作。亲戚亲戚村里人 也运用了合成最好的办法,形成像石墨这种 材料的形貌的多孔的功能碳球,在10到20微米左右大小,后后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,可不还都可以用于锂硫电池。

下一步介绍一下电解液,锂硫电池的电解液是一八个多醚类的电解液,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。锂硫电池一八个多性能,通过打断硫硫键来往复应用化学能转化为电能,硫硫键往往全是硫硫,往往是后后硫化物机会是含硫硫键的化合物全是贡献能量的作用。机会你看电解液90%是溶剂,亲戚亲戚村里人 早期想把溶剂一要素的量来用含硫硫键的化合物来替换,不可不还都可以贡献它的容量。

最近亲戚亲戚村里人 有这种 研究的进展,通过有机硫硫化合物太久可不还都可以改变传统锂硫电池的路径。这种 工作亲戚亲戚村里人 也是非常激动,机会它真是 太久可不还都可以改变反应路径。这是放电的一八个多曲线(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,亲戚亲戚村里人 能看出多硫化合物的产生,以及这种 新型电解液的溶液电解质的颜色变化,亲戚亲戚村里人 也可不还都可以从中取样做这种 在线的NMR机会是XPS的核磁共振和表皮分析。尤其能看出它没办法 传统锂硫电池多硫化合物的产生,这种 主要原应是机会加入了二甲基硫醚,关键这种 化合物和硫有相互作用,后后它改变了传统锂硫电池的充放电曲线,传统的有一八个多电压曲线,这种 电压稳定在2.0左右,后后 它的容量保持率以及容量是非常高的。

这种 主要的原应,亲戚亲戚村里人 也做了一八个多在线的核磁共振的分析,这种 在线核磁共振后后当你放电充电的后后,你能通过取样来做NMI,机会亲戚亲戚村里人 加入了二甲级硫醚后后有质子,通过质子的核磁共振来监测反应的底下产物。亲戚亲戚村里人 可不还都可以从透明的电池看出来,它没办法 传统的多硫化合物,后后这种 其它的硫化物的形式。这种 地方一八个多二甲级三硫,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,可不还都可以发现底下产物是二甲级三硫,跟锂硫电池三硫二锂很类事,能看出在放电的后后它不断减小,充电的后后不断增加。在放电中,它会产生,机会它是最终的放电产物,在充电的后后它又消失,最终能被利用。

这是亲戚亲戚村里人 在改变锂硫电池的路径方面做的研究(ppt),通过打上去新型电解液。

最终比较一下,在传统锂硫电池中,这种 硫在碳表皮成为电化学反应,通过锂离子在导电表皮的氧化还原反应,激活硫硫键,成为多硫化合物,亲戚亲戚村里人 加入这种 二甲级硫醚后后,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,给你利用它的产物利用出来1.5到1.8的电子性能。机会亲戚亲戚村里人 所有的试验中电解液全是控制的,太久可不还都可以取代一定的电解液,后后总体来说会有一定的提高,这是一八个多简单的总结,在不同电解液清况 下,锂硫反应路径有这种 不同。

这种 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,机会有润滑剂的作用。这是利用硫硫键在不同形式当中,可不还都可以结合无机的硫和有机的硫,使这种 充放电放慢,极化更小,最终它的容量能提高,同去亲戚亲戚村里人 也可不还都可以降低甲烷气体和甲烷气体硫的比例,太久可不还都可以让它的整体电量提高后后。

最后一要素,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,真是 一八个多综合匹配的过程,任何用锂金属的电池全是有锂金属的这种 的问提,亲戚亲戚村里人 可不还都可以看看在锂金属方面,锂硫电池中也是有这种 独特的东西。

亲戚亲戚村里人 知道锂金属是沉积挥发掉,石墨是嵌入,硅是合金反应,最终是通不够电量下的锂的氧化还原反应贡献电量。机会锂的表皮比较活泼,后后往往形成一八个多固液界面,锂金属在沉积的过程中会不断地位移,最终会有裂缝,这种 裂缝原应整个电流密度不均匀,锂质金就机会生长。锂硫电池一八个多好处,有多硫化合物,跟锂是非常容易反应的,后后它会火山玻璃形成一八个多膜。这种 膜是多硫化合物产生的一八个多无机的固化膜,也容易破碎。

后后亲戚亲戚村里人 研发了并全是杂化膜,有有机的成分,全是无机的成分,同去利用锂硫的化学,产生这种 原位产生的固液界面膜,它不断地侵蚀产生的裂缝,后后 把裂缝再弥补成一八个多固液界面膜,后后太久有裸露的锂金属,后后锂金属就相对稳定,可不还都可以循环后后。

这是这种 结果比较(ppt),机会说传统的锂金属沉积不均匀,会产生这种 分散的锂堆积,也会有这种 锂的质积。多硫化合物会产生这种 表皮涂层,来保护锂,杂化的电解液和涂层后后 锂的沉积更均匀,从低分辨到高分辨,从不同的视角都能看出空间是均匀的。

再一八个多是锂的形貌后后一样,这种 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没办法 多硫化合物的锂均匀,但有你在能看出它有后后的缺点。没办法 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。

这种 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。后后现在亲戚亲戚村里人 正在应用这种 膜技术来结合亲戚亲戚村里人 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,亲戚亲戚村里人 真是 有这种 技术,有这种 数据,后后 时间原应给你没得这多说了,这是简单的锂沉积与挥发掉中的电化学测试,后后在一八个多不对称电池中,锂沉积在一八个多铜片上,看锂沉积和挥发掉的数率,应该说是属于中等的,在文献中是很高的了。它的循环数率太久可不还都可以在99%,差太久在50次左右,后后这也不是 一八个多进步,后后 总体来说,今天我可不还都可以要给亲戚亲戚村里人 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,亲戚亲戚村里人 不可不还都可以 结合材料的深层、电化学的深层来处理它的正极、负极、电解液以及整个电池制作工艺。

以上后后的发言内容,谢谢亲戚亲戚村里人 !

(本文根据速记分发,未经嘉宾审核)

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