高比能鋰硫電池研究取得新進展

隨著人們對日用電子消費產(chǎn)品以及電動汽車要求不斷提升，迫切要發(fā)展更高能量密度的電池體系。室溫可充放鋰-硫二次電池(Li-Sbatteries)的理論能量密度為2654Wh/kg,是鋰離子電池(LiCoO2/C,脫鋰0.5，理論能量密度360Wh/kg)理論能量密度的7倍?？沙浞配嚵螂姵仡A計能量密度可以達到350-400Wh/kg,有望顯著提高電動汽車的續(xù)航里程。制約可充放鋰硫電池應(yīng)用的兩個核心技術(shù)難題為：在充放電過程中如何抑制中間產(chǎn)物多硫離子的溶解和如何穩(wěn)定金屬鋰負極防止出現(xiàn)鋰枝晶。

最近，我國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)的清潔能源實驗室E01組胡勇勝研究員和博士生索鎏敏等提出了一類新型雙功能電解液體系Solvent-in-Salt(SIS)，并將其應(yīng)用于鋰硫電池中，同時解決了多硫離子溶解和穩(wěn)定金屬鋰負極兩項關(guān)鍵技術(shù)難題。通過大幅提高鋰鹽濃度，將大量自由溶劑分子與鋰鹽絡(luò)合，有效抑制了多硫離子在電解液中的溶解，有效防止了充電過程中溶解于電解液的多硫離子形成的多硫離子穿梭效應(yīng)，防止了電池的嚴重過充現(xiàn)象，循環(huán)庫侖效率接近100%，循環(huán)穩(wěn)定性明顯提高。與此同時，較常規(guī)低鹽濃度電解液體系而言，由于高鹽濃度電解液體系具有高的陰陽離子濃度(7molLiTFSI/1LDOL-DME)，高的鋰離子遷移數(shù)(0.73)以及較高的粘度(72cp)，有效防止了由于金屬鋰沉積不均勻所帶來的金屬鋰枝晶生長(高鋰離子濃度有利于金屬鋰負極的均勻物質(zhì)交換;高的陰離子濃度和粘度，有助于降低金屬鋰負極表面由于陰離子耗盡所出現(xiàn)的空間電荷層，從而降低了金屬鋰非均勻沉積的電場驅(qū)動力;高粘度體系在一定程度上新增了鋰枝晶生長的阻力。)，使得金屬鋰負極在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性大大提高。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的《自然通訊》(NatureCommunications)上。

上述工作得到了科技部儲能材料研究創(chuàng)新團隊、科學院知識創(chuàng)新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委的大力支持。