高比能鋰硫電池研究獲新進展

    鋰電池體系作為一種高效的儲能裝置備受青睞，已經廣泛用于便攜式電子器件（手機、筆記本等），目前正應用于新能源電動汽車、智能電網及清潔能源（風能和太陽能）大規模儲能中，從而降低人類對化石能源的過度依賴，減低二氧化碳及相關廢棄排放，減少溫室氣體對全球氣候的影響以及對城市的空氣污染。

    隨著人們對日用電子消費產品以及電動車要求不斷提升，迫切需要發展更高能量密度的電池體系。室溫可充放鋰-硫二次電池(Li-Sbatteries)的理論能量密度為2654Wh/kg,是鋰離子電池(LiCoO2/C,脫鋰0.5，理論能量密度360Wh/kg)理論能量密度的7倍。可充放鋰硫電池預計能量密度可以達到350-400Wh/kg,有望顯著提高電動汽車的續航里程。制約可充放鋰硫電池應用的兩個核心技術難題為：在充放電過程中如何抑制中間產物多硫離子的溶解和如何穩定金屬鋰負極避免產生鋰枝晶。

    最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）的清潔能源實驗室E01組胡勇勝研究員和博士生索鎏敏等提出了一類新型雙功能電解液體系“Solvent-in-Salt”(SIS)，并將其應用于鋰硫電池中，同時解決了多硫離子溶解和穩定金屬鋰負極兩項關鍵技術難題。通過大幅提高鋰鹽濃度，將大量自由溶劑分子與鋰鹽絡合，有效抑制了多硫離子在電解液中的溶解，有效避免了充電過程中溶解于電解液的多硫離子形成的“多硫離子穿梭”效應，防止了電池的嚴重過充現象，循環庫侖效率接近100%，循環穩定性明顯提高。與此同時，較常規低鹽濃度電解液體系而言，由于高鹽濃度電解液體系具有高的陰陽離子濃度(7molLiTFSI/1LDOL-DME)，高的鋰離子遷移數（0.73）以及較高的粘度(72cP)，有效避免了由于金屬鋰沉積不均勻所帶來的金屬鋰枝晶生長（高鋰離子濃度有利于金屬鋰負極的均勻物質交換；高的陰離子濃度和粘度，有助于降低金屬鋰負極表面由于陰離子耗盡所產生的空間電荷層，從而降低了金屬鋰非均勻沉積的電場驅動力；高粘度體系在一定程度上增加了鋰枝晶生長的阻力。），使得金屬鋰負極在循環過程中的穩定性大大提高。

    相關研究結果發表在近期的《自然—通訊》（Nature Communications）上。

    上述工作得到了科技部儲能材料研究創新團隊、科學院知識創新工程能源項目群方向性項目、科學院百人計劃、基金委的大力支持。 ▇