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中外大學聯(lián)合開發(fā)液體鋰硫和鋰硒電池 能量密度有望超過500wh/kg

鉅大LARGE  |  點擊量:759次  |  2019年11月06日  

據(jù)外媒報道,鄭州大學、清華大學和斯坦福大學的研究人員,聯(lián)手開發(fā)液體鋰硫和鋰硒電池系統(tǒng)(簡稱SELL-S和SELL-Se)。這兩種電池采用固體電解質(zhì),能量密度有望超過500wh/kg和1000wh/l,具備低的能量成本和良好的電化學循環(huán)穩(wěn)定性,有望應(yīng)用于規(guī)模化儲能等領(lǐng)域。


這些電池采用Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作為電解質(zhì),將正負極之間完全隔離開,電池運行在240度的環(huán)境。工作溫度高于鋰的熔點,可有效抑制多硫化物或多硒化物穿梭效應(yīng),限制鋰枝晶生長,從而提升能量密度,加快充放電能力,并提高庫侖效率及能效,進一步保持穩(wěn)定性。


目前最先進鋰離子電池的能量密度小于300wh/kg和750Wh/L。硫和硒被視為取代鋰離子電池中商業(yè)金屬氧化物正極的重要侯選材料。因為這些材料具有高容量,鋰化為Li2S時為1670mAh/g,鋰化為Li2Se時為675mAh/g。從理論上來看,能提供高能量密度,鋰硫電池為2600Wh/kg和2800Wh/L,鋰硒電池為1160Wh/kg和2530Wh/L。而且,材料成本相對較低,鋰硒電池為41美元/kWh,鋰硫電池為15美元/kWh。


自從硫和硒被用作電池電極以來,對鋰硫和鋰硒電池的研究備受關(guān)注。以前的研究主要集中于具有固態(tài)鋰金屬負極、固態(tài)硫或硒正極(呈粉末狀或采用不同的S/C或Se/C復(fù)合材料)和液態(tài)有機電解質(zhì)的電池上。然而,由于使用的是固體鋰金屬和液體有機電解液,上述電池結(jié)構(gòu)存在一定問題:(1)循環(huán)不穩(wěn)定,庫侖效率低,因為在液態(tài)有機電解液中,短鏈Li2Sx或Li2Sex溶解,會引起穿梭效應(yīng);(2)液體有機電解液非常易燃,容易引起安全問題;(3)鋰負極出現(xiàn)枝晶生長,并與電解液發(fā)生副反應(yīng)。鄭州大學金教授等人表示:“在充放電過程中,固體硫和硒的體積變化較大,引起活性硫和硒與集流器分離,導(dǎo)致循環(huán)不穩(wěn)定,并降低硫和硒的利用率。這些問題嚴重阻礙了鋰硫和鋰硒電池的發(fā)展?!?/p>

SELL-S和SELL-Se電池中含有液態(tài)鋰金屬負極、帶炭黑的熔融S或Se正極、LLZTO陶瓷管電解質(zhì)。鋰金屬負極位于LLZTO管中,其中插入一根不銹鋼棒,作為負極集流器。在LLZTO管外的不銹鋼圓柱形容器中,插入帶有炭黑導(dǎo)電添加劑的S(Se)正極(質(zhì)量比S或Se:C=9:1),通過LLZTO管與鋰負極進行物理和電子分離。同時,不銹鋼圓筒作為正極集流器工作。熔融S和Se所需的導(dǎo)電碳只占總電極重量的10%,所以,固定負載最小。


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