非活性硫化物抑制锂电池容量损失技术解析

【引言】
现在，可持续发展能源的迫切需要发展和完善大范围的能量储存的能力，例如风能和太阳能等等。电化学储能由于具有无污染，循环效率高，灵活性好等优点，被广泛研究。锂硫电池作为电化学储能的一种，其理论能量密度是2600 Wh Kg-1, 因此被人们认为是最有希望成为下一代储能电池之一。然而，该电池还存在着许多的缺陷，例如低电子电导率，多硫化物的沉降，体积效应和自放电等等。另外，还有可溶性含锂聚硫化物的生成降低了电池的性能。人们设计了一种大尺寸的半液流电池来改善电化学性能，然而在循环工程中由于大量的不可溶硫化的物的生成，导致电池的容量急剧下降。
【成果简介】
最近，美国斯坦福大学崔屹教授在Nat. commun.上报道了一种采用添加廉价的硫，并且通过搅拌边加热的方法来激活这种非活性硫化物，从而达到抑制电池容量损失的目的。单电池的容量可达0.9 Ah, 体积能量密度可达95 Wh/L(3M Li2S8), 这个数值大概是全钒流电池的4倍。并且在高浓度的Li2S8 (5M)体积能量密度可达135 Wh/L 。该研究首次将活性材料的负载量提高到了0.125 g/cm3 (约有2g S在单个电池中)，并且取得了优异的性能。
【图文导读】
图1：方法示意图
【非活性硫化物抑制锂电池容量损失技术解析】

文章插图

（a）在加热搅拌过程中，非活性硫和硫颗粒的反应示意图；
（b）锂片在反应前后的对比图；
（c）锂片活化前后的对比图；
（d）LPS流电池系统示意图。
图2：非活性硫化物与硫反应

文章插图

（a）不同反应时间下，非活性硫与金属锂在DOL/DME中发生反应；
（b）锂片在反应前后的对比图；
（c）锂片在反应前后的Raman曲线；
（d）活化后，锂片在5M LPS电解液下的电化学性能；
（e）活化后，锂片在5M LPS电解液下的电压曲线。
图3：非活性硫化物的表征研究

文章插图

(a-d) 活化前后，XPS测试曲线；
(e-h) 活化前后，SEM图片。
图4：LPS电池的电化学性能研究

文章插图

(a)电池的循环性能和效率曲线；
(b)横容量充放曲线，截止电压为2.06V，容量设置为1000 mAh；
(c)不同电流密度的能量对比图；
(d)活化前后，EIS对比曲线；
(e)活化前后的电压曲线图；
(f)不同浓度下的电压曲线图；
(g)不同电池的能量密度对比图；
【小结】
该文通过一种新的方法来活化非活性的硫化物来提高电池的循环和能量密度，并且这种罐式设计使得电池很容易拆解。并且，硫的活化和锂的置换很容易在工业上实现，以及同时具有硫成本低的特点。但是电解液中的LITFSI的成本很高，几乎占了整个电池成本的一半，所以，找到一种廉价的材料来取代LITFSI，可能是未来的发展方向之一。