实时监测摩擦纳米发电机对锂硫电池的高效充电过程

摩擦纳米发电机(TENG)基于摩擦起电和静电感应的耦合作用,能够收集各种形式的机械能。由于机械能的不稳定性和TENG自身高电压低电流的脉冲输出特点,难以实现TENG直接与用电器件的匹配。研究TENG与储能器件之间良好的配合,是很多科研工作者努力的方向。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所李从举课题组研究了TENG的脉冲输出对锂硫电池性能的影响。研究中,保持TENG处于稳定的工作状态,并实时记录了充电过程中电流和电压的变化。通过分析发现,充电电流的变化能反映锂硫电池充电阻力的变化,在一定程度上帮助理解锂硫电池的反应机理;另一方面,TENG的脉冲输出能够提高Li-S电池的性能:提高电池容量、利于金属锂在负极的均匀沉积。

通过选取合适的取点率,实时了监测Li-S电池整个充电过程中的电流和电压。在恒定的外界驱动力下,TENG的输出与负载的大小有关。所以充电过程中充电电流的变化趋势能够反应锂硫电池在各阶段的反应的难易程度,以此来辅助研究锂硫电池的充电机理。研究中发现:充电开始阶段,电流随着最开始的电压升高而升高;之后在充电电压的平台处,电流基本保持不变;最后,当充电电压超过2.4 V之后,电流出现了锐减,而电压锐增。这个过程中充电电流并不是简单的随着充电电压的上升而减小的。它与锂硫电池在各阶段反应的难易程度有关。充电过程可主要分为两个阶段:①充电电压小于2.4 V时,随着固态Li2S2 和 Li2S 失去电子,氧化为可溶的多硫离子,电极的导电性增加。这正好解释了在TENG充电过程中,充电电流在最初阶段上升的现象。②充电电压超过2.4 V时,多硫离子失去电子,氧化为单质S8。这个过程中遇到的阻力更大,需要克服能量壁垒多。TENG在这个阶段的充电过程中,充电电流下降特别明显。2.4 V电压左右发生的电流的明显的变化,是锂硫电池反应机理的不一样导致的。并且明显的,在2.4 V之后的阶段,多硫离子氧化为单质硫的过程要更加困难。

研究还发现,相较于恒流充电方式,TENG的脉冲输出提高了锂硫电池的容量,并利于金属锂在负极的均匀沉积。TENG脉冲输出能促使产生更多的多硫化物,其在之后的放电过程中贡献出更多的活性容量,尤其是在Li-S电池放电的第二个平台处。TENG充电模式下,金属锂更倾向于沉积为大颗粒的锂,并且表面光滑,比表面积小,减小了金属锂与电解液的副反应。

TENG的脉冲充电方式能够在一定程度上提升锂硫电池的性能;并且,这种充电方式为进一步了解锂电池反应机理提供了侧面的帮助。相关成果发表在Advanced Materials Technologies上(DOI: 10.1002/admt.201800326)。本文由北京纳米能源与系统研究所殷营营(博士生)、张秀玲(博士生)、杜新宇(助理研究员)等研究人员完成,通讯作者为李从举研究员和李念武(助理研究员)。