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韩国成功开发锂-硫电池电极新材料

近期,韩国科学技术院(KAIST)新材料工程学系都京(音译)教授团队开发了一种全新的-硫二次电池电极材料,可以抓取碳素纤维之间的硫,这类似于毛细管对水的吸收现象。此次研究是EEWS研究中心的气候变化研究核心业务,也是韩国研究财团的中坚研究支持业务。这种锂-硫电池具有低重量和高容量的优点,有望实现商用化,这一研究成果已经刊登于国际学术杂志《Nano Letter》2018年的第18期。

近年来,随着电动汽车和大容量能源储存系统?(ESS)需求的迅猛增长,能量密度更高的二次电池开发也势在必行。锂-硫电池作为第二代高容量锂离子电池备受瞩目,从理论上讲,与锂离子电池相比,能量密度高出了约6倍以上。不过,硫的电导率较低,在充电和放电的过程中也会发生体积变化,锂的多硫化物中间相作为电解质熔化而排出,这阻碍了锂-硫电池的商用化。

为了解决这一问题,将多孔碳粉末包裹硫,由此提高了导电率,减小了体积变化,从而阻止了多硫化物的熔化,这就是硫-碳电极的开发目标。不过,这样球形的零维碳粉末在粒子间会生成无数个接触电阻,也会使得包裹硫的过程变得更为困难,必须采用高分子粘合剂进行粒子间的连接。

为了克服现有碳材料的缺点,研究团队通过电喷射制作出大量的一维形态的碳纤维,固体硫粉末被泥浆(固体和液体混合物或细微固体粒子在水中的悬浊液)打湿后干燥,从而开发出接触电阻大幅减少的硫-碳电极。

研究团队通过扫描电镜(SEM)进行观察,发现固态硫通过电化学反应变成了液态锂多硫化物的中间产物,这与纸张对水的吸收非常类似,这些碳纤维粒子之间实现了连接,在充电和放电过程中都可以保持这种状态,也不会发生熔化。因此,在没有包裹硫的情况下,碳纤维粒子之间也实现了有效闭合。现有的研究成果中,单位面积的硫含量仅在2mg/cm2以下,而此次研究的单位面积的硫含量超过了10mg/ cm2,单位面积容量达到了7mAh/ cm2,远高于现有锂离子电池单位面积容量1~3mAh/ cm2的水平。

与现有的电极制造方式完全不同,在金属蓄电体上涂上电极物质,电极的结构发生了明显变化,此举将有利于拓宽未来锂离子电池的研究范围。这项研究成果标志着高容量锂-硫电池的开发又迈进了一步,未来还有望应用于电动汽车和无人飞机。

资讯来源: 中国有色金属报 日期:2018.4.10

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