鉅大LARGE | 點擊量：1284次 | 2021年04月06日
簡析鋰硫電池高性能電解液材料的研究獲進展
業內普遍將鋰硫電池作為化學儲能的未來發展方向，然而一直以來，鋰硫電池面對多硫化鋰飛梭效應和金屬鋰界面不穩定的關鍵挑戰。科研人員往往使用硝酸鋰添加劑來解決上述問題，但是硝酸鋰、炭黑、單質硫共存的電池體系存在安全隱患。
不過，現在這一局面有望大幅改觀。中科院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民、李先鋒和副研究員張洪章團隊，設計、制備出一款不含硝酸鋰的高性能電解液，實現了在鋰硫電池器件中的應用，這給鋰硫電池電解液材料的設計制備帶來了新思路。
那么這款高性能電解液有什么技術上的突破、鋰硫電池的優勢以及前景如何，圍繞這些問題，記者專訪了張華民。
首先，自制電解液的安全性好。此前鋰硫電池用的電解液含有大量的硝酸鋰，其與碳硫復合物混合時，成分與黑火藥類似，因此存在很大的燃爆隱患。我們團隊研制的電解液不含硝酸鋰，安全性更加優異。
其次，自制電解液的穩定性好。研發的電解液可以使鋰硫電池持續穩定循環30次以上，按照一天充放電一次的使用模式，該電池可以確保無人飛機長達1個月的不間斷飛行。這一性能屬于目前公開報道的最好性能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
再次，自制電解液的容量發揮好。研發的電解液采用二氧戊環（DOL）作為溶劑，首次實現了較高的容量發揮，使鋰硫電池在0.2C的快速充放電過程中依然達到350Wh/kg的能量密度。
電解液是決定鋰硫電池性能的關鍵材料之一，是鋰硫電池技術發展的瓶頸技術。自2013年十月，團隊開始將電解液作為重要突破點，致力于開發出安全性好、使用壽命長的鋰硫電池。到2016年八月，團隊在電解液領域取得初步進展，研制出一類不含硝酸鋰的高性能電解液，并在大容量（460Ah）鋰硫電池中獲得成功應用，研發歷時2年零10個月。
目前，大連化物所儲能技術研究部在電池領域的研究重要側重三個方向：一是大規模、固定式電池儲能技術,包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池及鉛碳電池；二是高比能、動力鋰電池技術，如鋰硫電池。研究重點是開發電池關鍵材料，例如電解液、碳硫復合物、隔膜等。三是可在環境溫度零下40℃零上50℃運行的全天候，高能量密度、高放電倍率電池。
研究團隊以鋰硫電池器件的產業化為目標，對限制鋰硫電池發展的關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）及關鍵技術（電極涂覆、電池裝配、電池化成等）開展了細致的研究，并取得相應的突破。
例如，在正極材料方面，開發出比表面積2300m2/g,孔容為8cm3/g的高性能多孔碳材料，并通過自創的相轉化成型工藝，制成具有獨特三持續結構的鋰硫電池電極；在隔膜材料方面，開發出具有納米級離子傳輸孔道的離子選擇透過隔膜；在電池器件方面，制成30Ah以上級鋰硫一次電池，能量密度達到900Wh/kg以上。
鋰硫電池目前還存在很多技術挑戰。我們團隊將在三個方面繼續努力：繼續提高鋰硫電池的循環使用壽命；繼續提高鋰硫電池的安全性；開發出能量密度超過1200Wh/kg的鋰硫一次電池。首先看鋰硫電池的能量密度。在已知的電池負極材料中，金屬鋰的電位最負、比容量較大。在已知的正極材料中，單質硫的電位適中、比容量也較大。鋰硫電池是將金屬鋰和單質硫組成電池，其理論比能量可以達到2600Wh/kg，是目前商品化鋰離子電池理論比能量的35倍。做成電芯產品后，鋰硫電池的實際能量密度依然可以達到300900Wh/kg的較高水平，而商品化鋰離子動力鋰電池的能量密度僅為100200Wh/kg。即使將鋰離子電池的負極換成金屬鋰，其能量密度依然大幅低于鋰硫電池。因此，鋰硫電池具有很大的技術吸引力，是當前儲能領域的重要研究方向。
其次，有關鋰硫電池的成本。材料成本低廉是鋰硫電池的固有優勢。根據現有產業化的電芯組成和工藝條件，可以估算不同電池電芯原材料成本價格。
對鋰硫電池來說，正極材料重要為碳硫復合物，成本非常低，成本重要來自于金屬鋰和電解液。鋰硫電池的電解液用量占電芯質量的30%50%，是鋰離子電池的23倍。隨著電池正負極性能的提高，鋰硫電池所需電解液的用量將大幅下降，成本會進一步降低。根據我們實驗室6Ah軟包裝鋰硫電池估算，電芯成本約為0.21元/Wh，與以金屬鋰為負極、以富鋰錳材料為正極的金屬鋰離子電池相近，但是比目前商業化鋰離子電池的成本低得多。
然而，用戶在選擇電池的過程中，考慮的不僅是其瓦時成本，還要考慮其循環壽命。目前為止，美國SionPower公司（鋰硫電池領軍公司）開發的400Wh/kg的、以金屬鋰為負極的鋰離子電池在160次循環的能量剩余為50%，這與以石墨為負極的鋰離子電池數千次的循環壽命相差甚遠。假如計算單次循環成本，鋰硫電池的成本優勢并不明顯。因此，從使用成本的角度考慮，鋰硫電池的循環壽命仍要進一步提高。
鋰硫電池涉及很多技術問題，如循環壽命短、金屬鋰穩定性差、電解液易燃等。隨著這些問題不斷得到解決，鋰硫電池的應用領域也將不斷得到擴展。
目前，鋰硫一次電池的比能量已經達到900Wh/kg，可以在一些領域獲得應用。然而，鋰硫二次電池的循環壽命還很短，還不到鋰離子電池的1/10，尚要經歷相當長的發展歷程。
從實用角度講，鋰硫電池有可能首先在比較能量要求較高的無人機等領域獲得應用，并逐步向電動汽車領域擴展。該電池的發展空間很大，但技術挑戰與發展機遇并存。
