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张华民:锂硫电池高性能电解液材料研究获进展

放大字体  缩小字体 时间:2017-07-26  来源:中国能源报  作者:何英  
世纪储能网讯:锂硫电池高性能电解液材料研究获进展专访中科院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民业内普遍将锂硫电池作为化学储能的...
锂硫电池高性能电解液材料研究获进展——专访中科院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民
 
业内普遍将锂硫电池作为化学储能的未来发展方向,然而一直以来,锂硫电池面临多硫化锂“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”的关键挑战。科研人员往往使用硝酸锂添加剂来解决上述问题,但是硝酸锂、炭黑、单质硫共存的电池体系存在安全隐患。
 
不过,现在这一局面有望大幅改观。中科院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋和副研究员张洪章团队,设计、制备出一款不含硝酸锂的高性能电解液,实现了在锂硫电池器件中的应用,这给锂硫电池电解液材料的设计制备带来了新思路。
 
那么这款高性能电解液有哪些技术上的突破、锂硫电池的优势以及前景如何,围绕这些问题,记者专访了张华民。
 
 
高性能电解液问世
 
中国能源报:您所在的团队设计、制备出这款电解质溶液,其性能优势有哪些?
 
张华民:首先,自制电解液的安全性好。此前锂硫电池用的电解液含有大量的硝酸锂,其与碳硫复合物混合时,成分与“黑火药”类似,因此存在很大的燃爆隐患。我们团队研制的电解液不含硝酸锂,安全性更加优异。
 
其次,自制电解液的稳定性好。研发的电解液可以使锂硫电池连续稳定循环30次以上,按照一天充放电一次的使用模式,该电池可以确保无人飞机长达1个月的不间断飞行。这一性能属于目前公开报道的最好性能。
 
再次,自制电解液的容量发挥好。研发的电解液采用二氧戊环(DOL)作为溶剂,首次实现了较高的容量发挥,使锂硫电池在0.2C的快速充放电过程中依然达到350Wh/kg的能量密度。
 
中国能源报:取得电解液材料研究进展,前后用时多久?
 
张华民:电解液是决定锂硫电池性能的关键材料之一,是锂硫电池技术发展的瓶颈技术。自2013年10月,团队开始将电解液作为主要突破点,致力于开发出安全性好、使用寿命长的锂硫电池。到2016年8月,团队在电解液领域取得初步进展,研制出一类不含硝酸锂的高性能电解液,并在大容量(4—60Ah)锂硫电池中获得成功应用,研发历时2年零10个月。
 
技术攻关锂硫电池挑战
 
中国能源报:团队在电池技术方向上,专攻哪些技术方向?
 
张华民:目前,大连化物所储能技术研究部在电池领域的研究主要侧重三个方向:一是大规模、固定式电池储能技术,包括全钒液流电池、锌溴液流电池、锌镍液流电池及铅碳电池;二是高比能、动力电池技术,如锂硫电池。研究重点是开发电池关键材料,例如电解液、碳硫复合物、隔膜等。三是可在环境温度零下40℃—零上50℃运行的全天候,高能量密度、高放电倍率电池。
 
中国能源报:在锂硫电池领域,团队都做了哪些努力和突破?
 
张华民:研究团队以锂硫电池器件的产业化为目标,对限制锂硫电池发展的关键材料(正极、负极、隔膜、电解液)及关键技术(电极涂覆、电池装配、电池化成等)开展了细致的研究,并取得相应的突破。
 
例如,在正极材料方面,开发出比表面积2300m2/g, 孔容为8cm3/g的高性能多孔碳材料,并通过自创的“相转化”成型工艺,制成具有独特“三连续”结构的锂硫电池电极;在隔膜材料方面,开发出具有纳米级离子传输孔道的离子选择透过隔膜;在电池器件方面,制成30Ah以上级锂硫一次电池,能量密度达到900Wh/kg以上。
 
中国能源报:锂硫电池目前在技术上还面临哪些瓶颈,下一步团队将在哪方面继续努力?
 
张华民:锂硫电池目前还存在很多技术挑战。我们团队将在三个方面继续努力:继续提高锂硫电池的循环使用寿命;继续提高锂硫电池的安全性;开发出能量密度超过1200Wh/kg的锂硫一次电池。
 
锂硫未来发展空间大
 
中国能源报:在业内看来,目前锂硫电池具有较高的能量密度和低廉的成本,是储能领域的重要研究方向,能具体谈谈吗?
 
张华民:首先看锂硫电池的能量密度。在已知的电池负极材料中,金属锂的电位最负、比容量较大。在已知的正极材料中,单质硫的电位适中、比容量也较大。锂硫电池是将金属锂和单质硫组成电池,其理论比能量可以达到2600Wh/kg,是目前商品化锂离子电池理论比能量的3—5倍。做成电芯产品后,锂硫电池的实际能量密度依然可以达到300—900Wh/kg的较高水平,而商品化锂离子动力电池的能量密度仅为100—200Wh/kg。即使将锂离子电池的负极换成金属锂,其能量密度依然大幅低于锂硫电池。因此,锂硫电池具有很大的技术吸引力,是当前储能领域的重要研究方向。
 
其次,关于锂硫电池的成本。材料成本低廉是锂硫电池的固有优势。根据现有产业化的电芯组成和工艺条件,可以估算不同电池电芯原材料成本价格。
 
对锂硫电池来说,正极材料主要为碳硫复合物,成本非常低,成本主要来自于金属锂和电解液。锂硫电池的电解液用量占电芯质量的30%—50%,是锂离子电池的2—3倍。随着电池正负极性能的提高,锂硫电池所需电解液的用量将大幅下降,成本会进一步降低。根据我们实验室6Ah软包装锂硫电池估算,电芯成本约为0.21元/Wh,与以金属锂为负极、以富锂锰材料为正极的金属锂离子电池相近,但是比目前商业化锂离子电池的成本低得多。
 
然而,用户在选择电池的过程中,考虑的不仅是其瓦时成本,还需要考虑其循环寿命。目前为止,美国Sion Power 公司(锂硫电池领军企业)开发的400Wh/kg的、以金属锂为负极的锂离子电池在160次循环的能量剩余为50%,这与以石墨为负极的锂离子电池数千次的循环寿命相差甚远。如果计算单次循环成本,锂硫电池的成本优势并不明显。因此,从使用成本的角度考虑,锂硫电池的循环寿命仍需要进一步提高。
 
中国能源报:目前锂硫电池还处于实验室阶段,在您看来,锂硫电池什么时候能实现量产,未来发展空间如何?
 
张华民:锂硫电池涉及很多技术问题,如循环寿命短、金属锂稳定性差、电解液易燃等。随着这些问题不断得到解决,锂硫电池的应用领域也将不断得到扩展。
 
目前,锂硫一次电池的比能量已经达到900Wh/kg,可以在一些领域获得应用。然而,锂硫二次电池的循环寿命还很短,还不到锂离子电池的1/10,尚需要经历相当长的发展历程。
 
从实用角度讲,锂硫电池有可能首先在对比能量要求较高的无人机等领域获得应用,并逐步向电动车领域扩展。该电池的发展空间很大,但技术挑战与发展机遇并存。
 

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