業(yè)內普遍將鋰硫電池作為化學儲能的未來發(fā)展方向，然而一直以來，鋰硫電池面臨多硫化鋰“飛梭效應”和金屬鋰“界面不穩(wěn)定”的關鍵挑戰(zhàn)?？蒲腥藛T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哪些技術上的突破、鋰硫電池的優(yōu)勢以及前景如何，圍繞這些問題，記者專訪了張華民。
張華民/圖 來源網絡
高性能電解液問世
記者：您所在的團隊設計、制備出這款電解質溶液，其性能優(yōu)勢有哪些?
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(yōu)異。
其次，自制電解液的穩(wěn)定性好。研發(fā)的電解液可以使鋰硫電池連續(xù)穩(wěn)定循環(huán)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。
再次，自制電解液的容量發(fā)揮好。研發(fā)的電解液采用二氧戊環(huán)(DOL)作為溶劑，首次實現了較高的容量發(fā)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。
記者：取得電解液材料研究進展，前后用時多久?
張華民：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(fā)展的瓶頸技術。自2013年10月，團隊開始將電解液作為主要突破點，致力于開發(fā)出安全性好、使用壽命長的鋰硫電池。
到2016年8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(4—60Ah)鋰硫電池中獲得成功應用，研發(fā)歷時2年零10個月。
技術攻關鋰硫電池挑戰(zhàn)
記者：團隊在電池技術方向上，專攻哪些技術方向?
張華民：目前，大連化物所儲能技術研究部在電池領域的研究主要側重三個方向：
① 大規(guī)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;
② 高比能、動力電池技術，如鋰硫電池。研究重點是開發(fā)電池關鍵材料，例如電解液、碳硫復合物、隔膜等。
③ 可在環(huán)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。
記者：在鋰硫電池領域，團隊都做了哪些努力和突破?
張華民：研究團隊以鋰硫電池器件的產業(yè)化為目標，對限制鋰硫電池發(fā)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(fā)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(chuàng)的“相轉化”成型工藝，制成具有獨特“三連續(xù)”結構的鋰硫電池電極;在隔膜材料方面，開發(fā)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。
記者：鋰硫電池目前在技術上還面臨哪些瓶頸，下一步團隊將在哪方面繼續(xù)努力?
張華民：鋰硫電池目前還存在很多技術挑戰(zhàn)。我們團隊將在三個方面繼續(xù)努力：
繼續(xù)提高鋰硫電池的循環(huán)使用壽命;
繼續(xù)提高鋰硫電池的安全性;
開發(fā)出能量密度超過1200Wh/kg的鋰硫一次電池。
鋰硫未來發(fā)展空間大
記者：在業(yè)內看來，目前鋰硫電池具有較高的能量密度和低廉的成本，是儲能領域的重要研究方向，能具體談談嗎?
張華民：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。
各類型鋰電池能量密度表/圖 來源網絡
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3—5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300—900Wh/kg的較高水平，而商品化鋰離子動力電池的能量密度僅為100—200Wh/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，關于鋰硫電池的成本。材料成本低廉是鋰硫電池的固有優(yōu)勢。根據現有產業(yè)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，正極材料主要為碳硫復合物，成本非常低，成本主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2—3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(yè)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，還需要考慮其循環(huán)壽命。目前為止，美國Sion Power 公司(鋰硫電池領軍企業(yè))開發(fā)的400Wh/kg的、以金屬鋰為負極的鋰離子電池在160次循環(huán)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(huán)壽命相差甚遠。如果計算單次循環(huán)成本，鋰硫電池的成本優(yōu)勢并不明顯。因此，從使用成本的角度考慮，鋰硫電池的循環(huán)壽命仍需要進一步提高。
記者：目前鋰硫電池還處于實驗室階段，在您看來，鋰硫電池什么時候能實現量產，未來發(fā)展空間如何?
張華民：鋰硫電池涉及很多技術問題，如循環(huán)壽命短、金屬鋰穩(wěn)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(huán)壽命還很短，還不到鋰離子電池的1/10，尚需要經歷相當長的發(fā)展歷程。
從實用角度講，鋰硫電池有可能首先在對比能量要求較高的無人機等領域獲得應用，并逐步向電動車領域擴展。該電池的發(fā)展空間很大，但技術挑戰(zhàn)與發(fā)展機遇并存。
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