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            清華深研院 Adv. Fun. Mater. 固態鋰硫電池的研究現狀和展望

            鋰硫電池由于具有能量密度高、成本低和無毒性的特點,是電動汽車進一步發展最有應用前景的儲能器件之一。然而,鋰硫電池充放電過程中多硫化物的穿梭效應導致其循環穩定性顯著降低。鋰金屬作為鋰硫電池不可缺少的負極材料,由于鋰枝晶的不可控生長引起嚴重的安全問題。用固態電解質替代液體電解液可以有效解決上述問題。近日,清華大學深圳研究生院能源與環境材料創新團隊賀艷兵副教授等在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為“Progress and Perspective of Solid-State Lithium-Sulfur Batteries” 綜述論文。論文概述了固態電解質在解決鋰硫電池多硫化物溶解與穿梭效應和鋰金屬負極鋰枝晶方面的最新研究進展,同時對如何克服固態電解質自身缺陷如低室溫離子導電率和高界面阻抗的策略進行了分析。最后,文章展望了高性能固態鋰硫電池的未來研究方向和應用前景。

            固態電解質包括凝膠聚合物電解質、全固態聚合物電解質、陶瓷固態電解質、有機無機復合固態電解質。各種固態電解質在抑制多硫化物穿梭效應以及鋰枝晶生長方面各具特點。凝膠聚合物電解質在室溫下具有與液體電解質相同數量級的離子電導率,且其與硫正極能夠很好的接觸,并構建一個相容性高的凝膠聚合物電解質/電極界面,有效地保護硫正極,抑制多硫化物的穿梭。然而,凝膠聚合物電解質由于其機械強度較低,一般不能抑制鋰枝晶。因此,設計具有密實結構或與ZrO2、TiO2、SiO2等無機顆粒復合的凝膠聚合物電解質,可以提高其對鋰枝晶生長的抑制作用。由于全固態聚合物電解質在室溫下的離子電導率很低,所以應用全固態聚合物電解質的鋰硫電池必須在高溫下工作,但是多硫化物在高溫下在聚合物電解質的溶解度較高,因此固態聚合物電解質難以有效抑制多硫化物在高溫下的穿梭效應。在固態聚合物電解質中加入TiO2、Al2O3、ZrO2等無機填料,可以降低其玻璃化轉變溫度和結晶度,從而有效提高室溫離子電導率和機械強度,能夠在一定程度上降低聚合物復合固態電解質鋰硫電池的工作溫度,且其無機填料對多硫化物具有良好的吸附作用,能夠有效抑制多硫化物的穿梭效應,但仍然不足以使其在室溫下運行。陶瓷電解質可以有效抑制多硫化物的穿梭效應,然而,陶瓷電解質/電極界面存在巨大的阻抗,導致電池極化增大。此外,鋰枝晶在陶瓷電解質中更傾向于沿著晶界和電解質內的空隙生長,且其生長速度比在傳統的液體電解液中更快。所以提高陶瓷電解質結構的致密度,改善陶瓷電解質/電極界面接觸,可以加快電化學反應速率、減小極化。利用陶瓷/聚合物復合電解質能有效抑制多硫化物的穿梭效應,同時改善界面接觸,抑制鋰枝晶的生長和穿刺現象。然而,陶瓷/聚合物復合電解質依然受限于聚合物基體較低的離子電導率,使得鋰硫電池只能在高溫下工作。綜上分析,由于固態電解質對多硫化物的抑制作用,鋰硫電池的比容量可以得到有效提高。但是由于固態電解質離子電導率較低和界面電阻較高,因此其循環性能和倍率性能相對較差。目前,固態鋰硫電池面臨的主要挑戰是固態電解質/電極一體化集成,使鋰離子在電極和電解質界面快速傳輸,且具有穩定的固態電解質/電極界面,同時有效固定多硫化物和抑制鋰枝晶生長。用軟性的無機電解質填充硬質的無機電解質晶界和孔洞有望制備致密結構高離子電導率“無機-無機”復合固態電解質,同時滿足抑制多硫化物的穿梭效應和鋰枝晶生長的要求,并與硫正極和鋰金屬構筑良好的界面。深入研究和發展以無機固態電解質為主體的新型復合固態電解質及其界面構筑策略,將有利于推動固態鋰硫電池的基礎研究和工業化進程。

            清華深研院 Adv. Fun. Mater. 固態鋰硫電池的研究現狀和展望

            圖1. (a)抑制多硫化物穿梭的傳統策略分類;(b)多硫化物在TiO2、TiN以及TiO2和TiN多級結構表面的轉化過程示意圖;(c)采用商業化隔膜和黑鱗修飾隔膜的鋰硫電池示意圖;(d)基于陶瓷固態電解質的鋰硫電池示意圖。

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            圖2. 固態鋰硫電池的發展趨勢示意圖。

            供稿丨深圳市清新電源研究院

            部門丨媒體信息中心科技情報部

            撰稿人丨Jane

            主編丨張哲旭


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