硫化物对锂电池的影响研究论文

锂硫电池在提高电动汽车续航里程方面具有良好的前景。但由于其循环寿命比锂电池短得多，一直没有在市场上应用，美国PNNL的一项研究为其普及提供了可能。最近，PNNL研究人员在美国《纳米快报》上发表文章称，使用独特的粉末纳米材料可以有效改善锂硫电池的短循环寿命，其容量比锂电池高4倍。研究人员表示，锂硫电池最大的问题是，含有硫的阴极会慢慢溶解在电池内部，形成一种溶解在电解液中的多硫化物，而这个过程是不可逆的，导致阴极材料越来越少，极大地影响了电池寿命。为了克服这个问题，PNNL的研究人员发明了一种独特的粉末纳米材料，称为“金属有机框架”，它是多孔的，可以在阴极内部聚集硫分子。PNNL研究员张建明说，“有机金属框架”的作用是收集硫并将其保留在电池阴极内，从而延长电池寿命。目前，PNNL改进的锂硫电池经过100次充放电仍能保持89%的能量。

导读： 据外媒消息，锂硫电池是一种二次电池，也就是可充电电池。和现在广泛使用钴、镍和其他高价稀土元素（如正极材料）的锂离子电池不同，锂硫电池使用硫这一最丰富的元素，锂的低原子量和硫中等的原子量意味着锂硫电池相对较轻（大约是水的密度），这使得他的能量密度可以轻松达到550Wh/kg。

一般来说，锂离子电池的能量密度可以达到150-260Wh/kg。而最近刷屏的福建猛狮花两年时间研发的圆柱18650-3800mAh可以达到290Wh/kg。锂硫电池可以达到锂离子电池的两倍。

锂硫电池因为不用贵重金属，其制造成本更低，被认为是取代锂离子电池的有希望的候选者。

但是， 当锂在充电或放电过程中与硫接触时，就会产生所谓的“多硫化锂”作为中间产物。多硫化锂在用于锂硫电池的常用电解质中具有很高的溶解性，发生穿梭现象，从而导致正极材料在反复充电或放电后损失。多硫化物穿梭被认为是阻碍锂硫电池商业化的最大障碍，因为这个问题与电池的寿命和安全性退化直接相关。

在2017年位于英国牛津郡的OXIS Energy向公众展示了具有高达 1,500 次充电和放电循环的锂硫电池。但到现在为止，还没有一个是商业可用的报道。

公众号 “康桥电池能源CamCellLab”的消息，近日，韩国电子技术研究院 (Korea Electrotechnology Research Institute，KERI) 为了解决上述难题，采用活性炭和磷。活性炭纤维由于其高吸收性能广泛用于多种类型的过滤器和漂白剂。研究小组将活性炭作为涂层材料涂覆在隔膜上，用来捕获在充电或放电循环时产生的多硫化锂。

此外， 研究人员在碳材料中使用了高吸收性磷进行化学捕获。这种双重捕获方法有助于避免由于多硫化锂的穿梭效应而导致锂硫电池的性能下降。该团队在硫阴极上使用高强度、高导电性和柔韧性的碳纳米管材料来代替现有的集流体（以增加能量密度）。而这些都是在确保耐久性和弯曲性的条件下进行的。

通过这种工艺开发，韩国电子技术研究院的锂硫电池具有400 Wh/kg的能量密度。最引人注目的是这种锂硫电池的产业化机会很高，因为它结合了高能量密度、性能安全（寿命）、灵活性（持续时间）以及轻质和低成本等现有优势。

在需要轻量化、长续航的领域，锂硫电池的优势很突出，预计将广泛应用于航天、飞行 汽车 、无人机等。

作为对其出色工作的认可，世界知名科学期刊small将这一研究成果进行了封面报道。知名科学期刊small在2005年创立，一开始是月刊，在2009年改为双周刊，2015年改为周刊。他涵盖先进材料包括先进功能材料和先进工程材料等的最新研究。2020年该期刊的影响因子为13.28。

领导这一研究成果的韩国电子技术研究院朴俊宇（Jun-Woo Park） 博士对这一成果被认可非常满意，他说道：“像韩国这样的对稀土元素和其他资源稀缺国家而言，锂硫电池是一项重要技术，因为他使用丰富且廉价的硫和碳材料。

我们计划 将这一研究成果与韩国电子技术研究院开发并拥有的“大规模合成固体电解质”技术相结合，以确保下一代固态锂硫电池的原始技术。”

公众号 “康桥电池能源CamCellLab”认为，锂硫电池的产业化进程是夹在一些先进电池中间的。例如采用硅碳的锂离子电池和钠离子电池，他们的产业化进度明显很快。而下一代电池的明珠固态电池面临的问题更多，产业化进程还需要5-10年时间。

而锂硫电池夹在这些之中。固态电池的一种路线是采用硫化物作为固态电解质，他也和锂硫电池有循环问题。正如朴俊宇博士所说，把固态电解质和锂硫电池技术相结合，会对现有锂离子电池独霸市场的局面有最大的冲击。