鋰硫電池
關(guān)注創(chuàng)建者：diang 創(chuàng)建時間：2018-11-29
鋰硫電池的實例教程
【引言】
鋰硫電池由于具有高理論能量密度、價格低廉和環(huán)境友好等特點而被認(rèn)為是一種理想的下一代儲能器件。目前，理解鋰硫電池中復(fù)雜的多電子反應(yīng)，從而實現(xiàn)高效電池體系的理性設(shè)計，往往需要多種科學(xué)研究方法的綜合應(yīng)用。計算化學(xué)與計算材料學(xué)等方法的興起則為鋰硫電池的研究提供了新的機(jī)遇，并已經(jīng)取得了一些初步的成果。
【成果簡介】
近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系張強教授課題組受邀在國際頂尖期刊Materials Today上發(fā)表了題為“Combining Theory and Experiment in Lithium–Sulfur Batteries: Current Progress and Future Perspectives”的綜述文章。該綜述系統(tǒng)地總結(jié)了理論計算與實驗表征在鋰硫電池中的綜合應(yīng)用，從X-射線衍射、拉曼光譜、紅外光譜、X-射線吸收光譜、結(jié)合能和核磁等方面深入分析了理論與實驗如何進(jìn)行結(jié)合及其困難，為未來鋰硫電池及相關(guān)能源儲存與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域結(jié)合理論與計算方法，深入揭示其中化學(xué)本質(zhì)提供了重要的指導(dǎo)與研究思路。張強教授和美國加州大學(xué)伯克利分校材料工程系的Kristin A. Persson教授為本文的（共同通訊）作者，第一作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系陳翔博士，第二作者為美國加州大學(xué)伯克利分校材料工程系侯廷政博士。
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1. 常用計算方法及其在鋰硫電池中應(yīng)用總結(jié)
圖 2. 理論與實驗之間的典型差異
（a）理論與實驗之間差異的具體實例；
（b）一個關(guān)于理論與實驗關(guān)系的錯誤范例。經(jīng)驗表明需要辯證地看待二者的優(yōu)缺點。
圖 3. 理論與計算在XRD表征方面的結(jié)合
（a）實驗表征及計算模擬所得的Li2S2的XRD圖譜；
（b）Li2S2晶體結(jié)構(gòu)；
（c）實驗與計算所測定的Li2S2晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)比較（紅色：計算；黑色：實驗）。
圖 4.
展開 柔性鋰硫電池測試圖
研究人員通過這種方法證實，在簡單的合成方法的基礎(chǔ)上，可以在活性材料中引入多孔結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)電解質(zhì)滲透，并通過在低體積膨脹的SVPA框架中嵌入硫同素異形體，提高電極的機(jī)械完整性。此外，研究人員通過大量存在于活性材料表面的膦酸官能團(tuán)， 有效地阻止了多硫化鋰洗脫（elution），從而實現(xiàn)優(yōu)異的鋰硫電池性能。這種活性材料本身具有優(yōu)良的彈性，以及作為交聯(lián)聚合物的優(yōu)勢，顯示出作為柔性電極的潛力。
研究負(fù)責(zé)人Moon Jeong Park教授表示：“本項研究以低成本、環(huán)保的方式合成含豐富膦酸基團(tuán)的反硫化聚合物，從而開發(fā)出一種柔性鋰硫電池。這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因其可在化學(xué)上捕獲多硫化鋰，從而解決了洗脫問題，促進(jìn)商業(yè)化進(jìn)展。”
-END-
展開 蓋世汽車訊 為滿足全球不斷增長的能源需求，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可充電電池變得非常必要，但并非所有的可充電電池都是如此。據(jù)外媒報道，沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University，OIST）能源材料和表面科學(xué)部門（Energy Materials and Surface Sciences Unit）的研究人員致力于優(yōu)化可充電電池中的鋰硫電池。目前該研究以發(fā)表于期刊《Nature Communications》。
（圖片來源：Nature Communications）
該研究第一作者Hui Zhang表示：“與目前市場的鋰離子電池相比，鋰硫電池可以儲存的能量更多，具體來看，就是使用鋰離子電池的電動汽車一次充電可以行駛300公里，而鋰硫電池可實現(xiàn)續(xù)航里程達(dá)500公里。”
但鋰硫電池實現(xiàn)商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)是其中間產(chǎn)物非常容易溶解。在電池的構(gòu)建過程中，硫與鋰會發(fā)生反應(yīng)生成產(chǎn)物。該過程共分為兩個階段，其中第一階段中的生產(chǎn)產(chǎn)物為多硫化鋰，該產(chǎn)物很容易溶解為多硫化物，從而損害電池性能，進(jìn)而縮短電池壽命。為優(yōu)化電池，多硫化鋰需要盡快轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品，Li2S2或Li2S。為此，研究人員使用了兩種不同的材料，分別是TiO2，以吸收不需要的多硫化物，以及TiN，以加速吸收過程。
該研究的第二作者Luis Ono博士表示：“使用這兩種材料，我們開發(fā)出一種低成本且易于應(yīng)用的混合材料，可以很好地改善電池性能。”
這些材料非常敏感。
展開 總之，具有結(jié)構(gòu)和功能多樣性的聚合物將拓寬實現(xiàn)鋰硫電池成功應(yīng)用的策略范圍，并推動其他成本更低的金屬硫電池的未來發(fā)展。
圖2 聚合物提高鋰硫電池性能的總結(jié)與展望
該論文第一署名機(jī)構(gòu)為中南民族大學(xué)，第一作者為中南民族大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院章慶博士。工作得到國家自然科學(xué)基金(52173091, 51973235, 51902349, 51673061)、國家民委領(lǐng)軍人才支持計劃和湖北省創(chuàng)新群體等項目資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202103798
展開 生活中常用的502膠水也能修補鋰電池嗎？
當(dāng)今社會，可充電鋰電池已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動汽車等領(lǐng)域，與人們的日常生活密不可分。其中，鋰硫電池因其潛在的高能量密度（> 500 Wh kg–1）被認(rèn)為下一代最具潛力的儲能技術(shù)之一。然而，鋰硫電池普遍使用易燃、易揮發(fā)的醚類物質(zhì)作為電解液，一旦電池在封裝、運輸或使用過程中受損導(dǎo)致電解液泄露，將帶來巨大的安全隱患。
圖1 鋰硫軟包電池防泄漏機(jī)制示意圖
為消除此安全隱患，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組以生活中常用的502膠水的主要成分——氰基丙烯酸乙酯（PECA）為出發(fā)點，利用強親核性的硫化物快離子導(dǎo)體（Li6PS5Cl）進(jìn)攻PECA獲得原位聚合大陰離子來調(diào)控醚類電解液的化學(xué)組成，組成的電解質(zhì)具備三個突出特性：
（1）PECA的強極性基團(tuán)可使電解液與軟包電池內(nèi)包裝之間產(chǎn)生強的相互作用，通過氫鍵將電解液錨定在聚合物骨架上；
（2）電池受損后，空氣中的水分可催化聚合物進(jìn)一步聚合為更大分子“粘合”傷口；
（3）PECA的強極性基團(tuán)與多硫化物相互作用，抑制了多硫化物的穿梭效應(yīng)；
（4）聚合物大陰離子與普通PECA相比，具備更好的鋰離子導(dǎo)電能力，確保電解液具有1.11 mS cm–1的高離子電導(dǎo)率。
四者相輔相成，實現(xiàn)了鋰硫電池防泄漏、高性能的目標(biāo)。
展開 
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鋰硫電池的最新內(nèi)容
服務(wù)對象
本案例適用于：
? 催化材料（單原子催化劑、合金/氧化物復(fù)合體系）
? 能源存儲（鋰離子電池電極/電解質(zhì)界面、鋰硫電池多硫化物錨定）
? 低維材料（二維異質(zhì)結(jié)、拓?fù)浣^緣體表面態(tài)）
? 光電轉(zhuǎn)化（鈣鈦礦/有機(jī)半導(dǎo)體界面載流子動力學(xué)）
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石墨烯的研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展持續(xù)升溫，未來將會應(yīng)用于鋰離子電池、鋰硫電池、薄膜分離、超級電容器等制造中。
參考資料
[1]Science,Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films（2004）。
空氣流動耦合模型構(gòu)建
5.2.3 典型工況電池空冷模型構(gòu)建及仿真演示
5.3 動力電池液冷及模型構(gòu)建
5.3.1 液氣流動過程仿真及常用物理接口介紹
5.3.2 鋰離子電池-冷卻液流動耦合模型構(gòu)建
5.3.3 典型工況電池液冷模型構(gòu)建及仿真演示
6 鋰金屬電沉積過程數(shù)值模擬
6.1 鋰金屬電沉積涉及的物理接口簡介
6.1.1 一次、二次和三次電流分布接口
6.1.2 稀溶液理論與濃溶液理論
6.2 鋰硫電池模型構(gòu)建
鋰金屬電沉積過程數(shù)值模擬
6.1 鋰金屬電沉積涉及的物理接口簡介
6.1.1 一次、二次和三次電流分布接口
6.1.2 稀溶液理論與濃溶液理論
6.2 鋰硫電池模型構(gòu)建
鋰硫電池被認(rèn)為是目前代替目前最常用的鋰電池的產(chǎn)品。每重量的能量密度是現(xiàn)有電池的2倍左右。如果重量相同，可以將現(xiàn)有的電動汽車行駛里程從400Km增加到700Km以上。
據(jù)1月17日業(yè)界消息，LG新能源最早計劃在2027年實現(xiàn)鋰硫電池的商業(yè)化。最初的應(yīng)用領(lǐng)域正在優(yōu)先考慮航空領(lǐng)域。因為比現(xiàn)有電池能量密度高，而重量更輕。
鋰硫電池、鋰空氣等體系需更換整個電池結(jié)構(gòu)框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前體系，實現(xiàn)難度相對小。
贛鋒鋰業(yè)的固態(tài)電池采用的隔膜為固態(tài)柔性隔膜，電解質(zhì)為半固態(tài)。這里也比較清晰了，和此前蔚來發(fā)布的固液混合電解質(zhì)電池，它們還都算不上是嚴(yán)格意義上的固態(tài)電池。
鋰硫電池、鋰空氣等體系需更換整個電池結(jié)構(gòu)框架，難題更多也更大，而固態(tài)電池主要在于電解液的革新，正極與負(fù)極可繼續(xù)沿用當(dāng)前體系，實現(xiàn)難度相對小。鋰金屬負(fù)極兼容，通過固態(tài)電解質(zhì)實現(xiàn)。鋰硫、鋰空氣均需采用鋰金屬負(fù)極，而鋰金屬負(fù)極更易在固態(tài)電解質(zhì)平臺實現(xiàn)。
（如鋰硫電池和鋰氧電池）的負(fù)極材料，然而，不可控的鋰枝晶生長和脆弱的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）阻礙了鋰金屬負(fù)極的實際應(yīng)用。
，鋰硫電池由于其較高的理論容量（1672mAhg?1）和低成本，已成為最有希望的儲能裝置候選電池之一。
◎電池新品種的開發(fā)仍需進(jìn)一步深入研究，伴隨著對固態(tài)電池和鋰硫電池的研發(fā)深入，技術(shù)開發(fā)商，設(shè)備供應(yīng)商，電池制造商與整車廠需要通力合作，進(jìn)一步加強技術(shù)支撐，填補供應(yīng)鏈缺口。
