锂硫电池能量密度再突破,中美已打造重量轻、大容量电池

近期美国与中国科学家携手合作,为锂硫电池研发全新阴极,重量能量密度与体积能量密度已分别达到每公斤360Wh 与每公升581Wh,双双超越目前的锂离子电池与锂硫电池,大幅提高锂硫电池发展脚步。

锂硫电池理论重量能量密度是锂电池的3-5 倍,高达每公斤2,700Wh,且还具有电池重量轻、原材料丰富等优势,假如科学家研发有成,这样一来人们就不用战战兢兢时刻注意手机电池电量了。

一般来说锂硫电池阴极主要成分为硫,而添入硫的方法则有嵌入法(intercalation)与转换法(conversion),前者多采用锂钴氧化物等化合物来提高体积能量密度,电极可以在结构与尺寸不变的情形下,将锂原子与晶体结构相结合;而转换法则是使用可改变结构的硫,其甚至可溶解在电解质中,基本上具有高重量能量密度、低体积能量密度特性。

两种不同的方法各有优势,却无法同时并行,这让让科学家陷入两难:体积能量越高,代表电池容量越高;重量能量密度越大,电池重量越轻,而现在由美国麻省理工学院与中国科学院等机构组成的团队已找到鱼与熊掌兼得的办法。

美中联合团队把纯粹的硫和谢夫尔相(Chevrel phase)硫化钼颗粒结整合压缩,打造全新混合阴极,且该制程也同时改善硫导电性不高的问题,这让电极可以用较少的碳涂层来提高导电性,碳比例可从原先的20-30% 降至10% 左右。

目前该团队也已开发出容量达1,000 mAh 的三层袋状电池,重量能量密度与体积能量密度已分别达到每公斤360Wh 与每公升581Wh,而当今锂离子电池能量密度约为每公斤265Wh 与每公升700Wh,锂硫电池则两种都是400Wh。

显然新型锂硫电池重量密度已超过锂离子电池,体积能量密度纪录也高于其他的锂硫电池,预期未来,团队也相信能通过优化实验与设计,将能量密度提高到每公斤400Wh 与每公升700Wh,打造重量轻、电池容量又大的新一代锂硫电池。

只不过新型电池也存有锂硫电池的通病:寿命不长,传统锂硫电池会因为锂电极易生成晶枝、反应副产物多硫化物阻碍锂离子移动等问题,致使充放电次数降低,对此麻省理工材料科学工程师Ju Li 表示,新电池寿命不高的原因并非因为阴极设计导致,是整体电池设计造成的,未来也会进续改良以解决相关问题。

发表评论