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            Science觀點:鋰硫電池,飛躍就緒

            編者按:昨日,最新一期Science發表了一篇關于鋰硫電池前景的最新解讀,小編馬不停蹄地將其翻譯成中文,以饗讀者。本文僅供學術交流,轉載請聯系清新電源公眾號。

            Science觀點:鋰硫電池,飛躍就緒

            鋰硫電池,飛躍就緒

            ——頗具前景的化學電源開始同鋰離子電池在商業場上同臺競技

            特斯拉,當心了!OxisEnergy(位于英國阿賓頓的一家創業公司)的研究人員正在研發一種使用鋰和硫的復合電池(譯者注:即后文“鋰硫電池”)。這種電池的千克比電容量比當今車用鋰離子電池高出兩倍。然而這種電池無法長期工作,100余次充放電循環便可能損壞。但是這家公司仍然希望他們的電池能夠在航空、潛水和軍事等領域“施展拳腳”,因為這些應用領域對電池的重量限制嚴格而對電池的價格和壽命相對要求不高。Oxis的小型試點工廠電池年產量目標為10,000到20,000,這些電池將會被以極薄軟包的形式安裝在手機中。

            Science觀點:鋰硫電池,飛躍就緒

            2014年,空客公司(Airbus)Zephyr 7大黃蜂無人駕駛飛行器依靠鋰硫電池不間斷飛行11天

            對于Gigafactory(譯者注:位于美國的一家為特斯拉制造鋰離子電池的公司)來說,Oxis公司的目標卻不是——至少目前不是——他們的“菜”。該公司CTO David Ainsworth表示他們瞄準了更高遠的目標:價值高達一千億美元的電動汽車市場?!敖酉聛淼膸啄曛陵P重要”,Ainsworth說。Ainsworth和同事認為鋰硫電池將當仁不讓地繼承鋰離子電池,成為未來電池技術的“統治者”。

            近期一連串的報告顯示了鋰硫電池的性能和壽命問題是可以被克服的,這些結果極大地激勵了Ainsworth和同事們?!澳阏谀慷茫ㄤ嚵螂姵兀┰诟鞣矫娴娘w速進步”,加州勞倫斯-伯克利國家實驗室化學家Brett Helms說到。另一些研究人員,如加拿大滑鐵盧大學化學家、鋰硫電池先驅Linda Nazar對此依然保持謹慎。她認為制造出廉價、輕便、安全、小型化的鋰硫電池“是一個極高的要求”。正所謂按下葫蘆起來瓢,“你無法同時優化所有的指標”,她補充道。

            Science觀點:鋰硫電池,飛躍就緒

            鋰硫電池可以比鋰電池更小更輕,從而擁有更高的千克比電容量(縱軸)和體積比能量密度(橫軸)

            鋰離子電池包含兩個電極——正極和負極,隔在這兩電極中間的液態電解液為鋰離子在充放電循環時于兩極之間來回移動提供通道。在負極一側,鋰離子(譯者注:原文中為lithium atoms,疑為原文作者考慮到鋰離子接受電子后形成原子)嵌入石墨層間。在電池放電時,鋰原子失去電子而產生電流。余下帶正電的鋰離子則脫嵌并回到電解液。當為小至手機大至特斯拉電動汽車的用電器供電完成以后,電子最終流入正極(常由不同金屬氧化物的混合物制成)。在這里,帶正電的鋰離子緊靠接受注入電子的金屬離子。充電過程中,上述過程反向,在外部電壓的驅使下鋰離子脫出正極并返回負極。

            金屬氧化物正極是可靠的電極材料,但組成正極的金屬(通常是鈷、鎳和鎂)卻價格昂貴。另外因反應過程中需要兩個金屬原子(譯者注:一個鋰原子,一個正極金屬原子)“固定”一個電子,所以這些正極材料往往很沉,這使得電池的質量比容量被限制在200 Wh/kg以下。相比之下,硫更輕且一個硫原子可同時接納兩個電子。理論上,使用硫正極的電池質量比電容量可高于500 Wh/kg。

            但是硫卻不是一種完美的電極材料。當頭一棒的便是硫的電絕緣性,它不能將電子傳遞給從負極而來的鋰離子。這個“毀滅者”直到2009年才被干掉:這一年Nazar帶領的一批研究者將硫負載在同負極材料相似的導電碳基底上解決了問題。這種方法行之有效,但也帶來了其他問題。大多數碳結構(比如石墨)疏松多孔,因而增大了電池的體積,卻沒有相應增大電池的電容量。同時這也意味著許多昂貴的液態電解液將被消耗在填充碳孔。更糟糕的是,當鋰離子與硫在正極一側結合以后,二者反應會生成許多可溶小分子——多硫化鋰。這個過程會損害正極、限制電池的壽命。多硫化鋰還會移動到負極一側,造成更大的破壞。

            如今,鋰硫電池在多方面正快速發展。目前已有三個研究團隊在解決硫正極的問題上取得了突破。例如去年Helms領導的團隊在Nature Communications上報道了將一種聚合物層附著在碳-硫正極上可將多硫化鋰限制在正極表面并成功使得電池充放電循環100次的方法。德州大學奧斯汀分校ArumugamManthiram領導的團隊將正極中的石墨采用石墨烯替代。據他們在1月12號出版的ACS Energy Letters上的報道,相比于傳統的石墨,這種石墨烯骨架可負載五倍質量的硫,從而提升電容量。兩周前,廈門大學鄭南峰團隊在Joule期刊報道了一種薄層聚丙烯包覆的氮摻雜碳顆粒隔膜。這種隔膜置于正極上,可捕獲多硫化鋰并將它們轉換為無害的硫化鋰顆粒。該隔膜提升了電池的輸出能量并將使電池成功充放電循環500次。

            其他工作則從電解液的調節來應對多硫化鋰的問題。在2017年5月25日出版的ACS Central Science上,Nazar和她的同事就報道了一種可傳導鋰離子但限制可溶解性多硫化鋰生成的一種電解質。

            許多研究團隊也瞄準了負極,致力于用純金屬鋰來替換鋰-石墨的復合物。金屬鋰負極的使用將使電池電容量提升至500 Wh/kg(足夠支撐一輛充滿電的車不間斷行駛500公里),而對鋰硫電池而言優點可能更多。然而當今純金屬鋰負極的應用依然被充電過程中(鋰離子從正極返回)的問題所制約:鋰傾向在某區域聚集生長形成枝晶。這些尖銳的枝晶可刺穿電池隔膜(譯者注:原文為“battery”,但此處譯為隔膜更加準確)從而引發短路甚至起火。Oxis Energy和另一家電池創業公司——位于亞利桑那州圖森市的Sion Power宣稱他們已經制備出了具有自主產權的圍繞鋰金屬負極屏障以防止尖銳枝晶的生長。本周的Nature Energy上,來自康奈爾大學的研究者們發表了使用錫合金以穩定鋰負極的方法。

            所有的這些進展都將助力推動鋰硫電池的發展,位于伊利諾伊州雷蒙特阿貢國家實驗室能量存儲研究協同中心主任George Crabtree評論道,“很難判定這些突破是否是鋰硫電池商業化所需的最后突破,但我的態度是樂觀的”。世界各地的電動汽車駕駛員們都希望他的話是正確的。

            本文由材料小兵翻譯,感謝劉田宇博士校稿與修正!

            原文鏈接:http://science.sciencemag.org/content/359/6380/1080?rss=1

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