锂硫电池正极材料研究进展论文

钴酸锂材料作为第一代商品化的锂离子电池正极材料，还有许多不可取代的优势：材料的加工性能很好，密度高，比容量相对较高，材料的结构稳定，循环性能好，材料的电压平台较高且比较稳定，是目前最成熟，也是唯一商业化的正极材料，在短时间内，特别是在通讯电池领域还有不可取代的优势。但是其存在的价格昂贵、容量几乎发挥到了极限、资源紧缺、安全性差等缺陷使得其必然在最近的5到10年内遭受被取代命运。现在取代钴酸锂材料有两个方向，一是在动力电池领域，锰酸锂和磷铁酸锂是最有希望的材料，二是在通讯电池领域，镍钴锂和镍钴锰锂三元材料是最有希望代替钴酸锂的正极材料。 锰酸锂材料是除钴酸锂外研究最早的正极材料，通过多年的研究，材料的性能得到较大的改善。其较高的安全性，低廉的价格，使其在动力电池领域有广阔的应用前景；但是其较低的比容量，较差的循环性能，特别是高温循环性能使得其应用受到了较大的限制，虽然通过最近几年的研究，循环性能得到一定的改善，但是高温循环性能还没有得到较好的解决，推迟了其大规模商业化的步伐。 磷铁酸锂材料是最近两年才快速发展起来的正极材料，其低廉的价格，较高的安全性能，较好的结构稳定性，优越的循环性能使得其作为动力电池和备用电源领域有广阔的应用前景，大有取代锰酸锂之趋势。但是其也存在一些难易解决的问题，特别振实密度低，体积比容量低，电导率低，低温放电性能差，倍率放电差等问题需要继续研究和改进。 近年来世界范围内大量研究已经使其取得的较大的发展和进步，使其产业化的阻碍已经得到较大的缓解，材料的电导率研究取得了较大的进步，振实密度和体积比容量低对动力电池来说，也许不是问题，现在问题的重点集中在低温性能和倍率放电方面。如果在最近的一两年内，材料的低温和倍率性能取得突破的话，磷铁酸锂的产业化指日可待。 从最近的测试看这个问题基本得到了很好的解决，现在唯一的问题是密度低。在小型通讯电池领域，最有可能代替钴酸锂的是镍钴酸锂和镍钴锰酸三元材料，目前市场上还没有大量出现此类材料，但是随着电子领域的快速发展，其对电池容量的要求也越来越高，必然推动高容量的镍钴类材料和镍钴锰三元材料的发展。 镍钴酸锂材料是一种容量比较高的材料，其比容量比钴酸锂高出30%以上，而且和钴酸锂有相同的上下限电压，比较容易规模化利用，价格相对便宜。当然材料也存在一些缺点，材料的合成相对困难，材料的密度相对较低，材料的电压平台较低，充放电效率较低，和电解液相容性和安全性差等缺陷，还有待解决，但是随着研究的深入，产业化会在最近两年内得到迅速发展。 镍钴锰三元材料是另一种高容量的正极材料，比容量可以达到180mAh/g以上，是非常有前途的正极材料。此材料不仅有比容量高的优势，而且安全性也相对较好，价格相对较低，与电解液的相容性好，循环性能优异，是最有可能在小型通讯和小型动力领域同时应用的电池正极材料，甚至有在大型动力领域应用的可能。但是材料也有自身的缺点，第一就是合成困难、合成条件苛刻、合成材料的稳定性差，第二是材料的电压平台相对较低，只有左右，第三是材料的密度和钴酸锂相比，相对较低，第四是材料的充电电压较高，达到了左右，与钴酸锂有较大的差别。但是此材料的高容量和高安全性是其他材料无法比拟的，必将最近的几年内推向市场。因此，从目前的情况看，如果钴酸锂材料不寻求突破，其在未来的几年内，必被其他正极材料所代替。但是这是在钴酸锂材料的容量和安全性能没有突破的前提下的结论，如果钴酸锂材料在容量和安全性上有所突破的话，其商业寿命可能会走的更远。现在钴酸锂在安全性和提高容量上正在寻找出路，也许通过包覆，会改善材料的表观结构，可以提高电池的安全性和容量，但是进展很不明朗。 现在的趋势可以做如下的判断：在通讯电池领域，最近的3年内，钴酸锂仍然是离子电池的主角，在以后5年内，可能是钴酸锂和镍钴锰三元材料共存的时代，5年后，可能是镍钴锰三元材料的时代。 在动力电池领域，由于钴酸锂的安全问题和高昂的价格，使其一直在动力电池门外徘徊，始终没有完全进入动力电池领域。现在的情况是钴酸锂和锰酸锂小批量配合使用，但是由于其固有的缺陷，使得其始终没有大批量的进行商业化运作，产品只是在小批量试生产阶段，目前大规模的商业化运作还有一些难以克服的困难。在动力电池领域磷酸基正极材料依其超长的循环寿命，极好的安全性能，较好的高温性能，极其低廉的价格，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，使其成为最有希望的动力电池材料，其在未来的5年内可能会成镍镉电池的主要替代品，在未来的10年内会成为铅酸电池的有力竞争者，在未来的20年内可能会取代铅酸电池，成为主要的启动电源、UPS电源 和后备电源，成为二次电池的老大。

据外媒报道， 在下一代电池中许多令人兴奋的化学物质中，锂硫电池是一种具有巨大潜力的化学物质，因为它的储能能力是目前锂离子电池的五倍。 澳大利亚的科学家们为这种极具前途的结构提出了一种新的设计，其中包括通过添加糖来解决固有的稳定性问题，据悉，这一举动使实验电池运行的次数超过1000次。

虽然锂硫电池的高容量是科学家们一直在努力开发的一种主流应用，但它们一直受到稳定性问题的阻碍。由于电池的正硫电极在充电过程中膨胀和收缩，它会受到显著的压力并迅速恶化。与此同时，负极被硫化合物污染。

去年，墨尔本莫纳什大学的一个电池研究小组想出了一个解决了这一问题的一半的解决方案。这群科学家们开发了一种特殊的粘合剂，它可以在硫粒子周围创造额外的空间，这意味着它们在充电期间拥有更多的空间安全膨胀。这样做的结果得到一个高容量的锂硫电池，它能循环使用超200次。

现在，科学家们把目标对准了等式的另一边，即负的锂电极，其被硫“窒息”。这一突破源于1988年的一项研究，该研究表明，一些糖基物质可以阻止地质沉积物的降解从而促进硫化物之间的强键。

科学家们的目标是将这种方法应用到锂-硫电池上以防止硫链（被称为多硫化物）从正极释放出来，这些硫链往往会在负极上移动并形成苔藓。研究小组在电极的网状结构中引入了一种糖基添加剂以作为粘结剂从而形成网状微结构，该结构可以帮助调节讨厌的多硫化物的行为。携带糖添加剂的实验电池显示，容量约为700 mAh/g，可维持1000次循环。

这项研究的论文第一作者、博士生Yingyi Huang说道，“这样每次充电都能持续更长时间，延长电池的寿命。而且制造电池不需要奇异的、有毒的、昂贵的材料。”

在锂硫电池应用于智能手机和电动 汽车 之前仍有一些问题需要解决。研究人员则表示，他们的技术有潜力存储2到5倍于现在的锂电池的能量，并且通过这项新的研究，相信他们已经向现实世界的应用迈出了关键的一步。