【写作竞赛】锂硫电池用的新型电解液

从远古时期的钻木取火到现在化石能源的大规模使用,能源类型的更替见证了人类文明的不断发展进步。近年来,随着人类对环境问题的日益关注和小型汽车的普及,汽车尾气对环境的污染已经成为不争的事实,开发一种新型的储能形式比以往任何时期都显得迫切,二次电池技术正是在这种背景下应运而生。由于使用二次电池的汽车(电动汽车)在行驶过程中是由电能向机械能转化,不涉及到燃烧问题,可以彻底避免常规汽车的尾气污染。

在各种二次电池中,Li-S电池由于具有非常优越的理论容量密度(1672 mAh/g)和能量密度(2500 Wh/Kg)而受到研究者的关注。锂硫电池中的正极材料硫具有储量丰富、无毒、廉价以及操作温度范围广等优势,相比其他新型二次电池,锂硫电池具有更好的实用化的可能。但是,尽管锂硫电池具备上述优势,将其理论容量转化为实际容量仍需要很多的研究工作。锂硫电池的主要问题在于充放电过程产生的多硫化物(Li2Sx)(X=4-8)在电解液中的扩散,进而造成活性物质的丢失,进而库伦效率低、容量易快速衰减。

为了解决锂硫电池的上述问题,很多研究工作着眼于正极材料的结构设计,即通过正极外围包覆聚合物或者使用添加剂来吸附形成的多硫化物从而达到对多硫化物的截留作用。但是由于存在热力学等因素上的限制,仅仅依靠对正极材料的改造很难达到很好的截留作用。

近日,美国阿贡实验室的Ilias Belharouak教授在锂硫电池电解液的研究中取得新进展。在这项研究中,他们使用溶解在DME中的0.2 M Li2Sx和0.5 M LiNO3作为电解液,用炭黑和硫粉末复合而成的材料作为正极组装形成的电池表现出较高的容量(1450 mAh/g),库伦效率几乎达到100%。这种新电解液的优异性能主要源于其通过预先在电解液中添加多硫化物作为锂盐来构筑浓度梯度从而限制多硫化物由正极向电解液中的溶解,而硝酸锂的添加可以在电池充放电循环中有效抑制金属锂转化为枝状锂,有效保持锂负极的结构。另外,此类电解液并不需要添加LiTFSI等锂盐,提高了锂硫电池的总体容量。相关工作发表在Advanced Energy Materials上。(DOI: 10.1002/aenm.201200990)

若要实现锂硫电池的工业化,必须彻底解决(1)正极多硫化物衰减、(2)正极体积膨胀、(3)负极出现锂枝晶以及(4)锂离子的传导率低等问题,正极材料的结构设计和电解液的选择成为影响锂硫电池发展的重要因素。研究人员通过sp2碳材料的空间多孔结构来设计的各种碳硫复合正极材料为解决问题(1)、(2)提供了一个很好的研究思路。如果进一步结合本文报道的电解液中添加硝酸锂和多硫化物以保证容量和安全性能,锂硫电池有望将在电动汽车、手持设备和微芯片中表现出很好的应用前景。