業(yè)內(nèi)普遍將鋰硫電池作為化學(xué)儲(chǔ)能的未來(lái)發(fā)展方向，然而一直以來(lái)，鋰硫電池面臨多硫化鋰“飛梭效應(yīng)”和金屬鋰“界面不穩(wěn)定”的關(guān)鍵挑戰(zhàn)?？蒲腥藛T往往使用硝酸鋰添加劑來(lái)解決上述問(wèn)題，但是硝酸鋰、炭黑、單質(zhì)硫共存的電池體系存在安全隱患。
不過(guò)，現(xiàn)在這一局面有望大幅改觀。中科院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員張華民、李先鋒和副研究員張洪章團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)、制備出一款不含硝酸鋰的高性能電解液，實(shí)現(xiàn)了在鋰硫電池器件中的應(yīng)用，這給鋰硫電池電解液材料的設(shè)計(jì)制備帶來(lái)了新思路。
那么這款高性能電解液有哪些技術(shù)上的突破、鋰硫電池的優(yōu)勢(shì)以及前景如何，圍繞這些問(wèn)題，記者專(zhuān)訪了張華民。
張華民/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)
高性能電解液?jiǎn)柺?/p>
記者：您所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制備出這款電解質(zhì)溶液，其性能優(yōu)勢(shì)有哪些?
張華民：首先，自制電解液的安全性好。此前鋰硫電池用的電解液含有大量的硝酸鋰，其與碳硫復(fù)合物混合時(shí)，成分與“黑火藥”類(lèi)似，因此存在很大的燃爆隱患。我們團(tuán)隊(duì)研制的電解液不含硝酸鋰，安全性更加優(yōu)異。
其次，自制電解液的穩(wěn)定性好。研發(fā)的電解液可以使鋰硫電池連續(xù)穩(wěn)定循環(huán)30次以上，按照一天充放電一次的使用模式，該電池可以確保無(wú)人飛機(jī)長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月的不間斷飛行。這一性能屬于目前公開(kāi)報(bào)道的最好性能。
再次，自制電解液的容量發(fā)揮好。研發(fā)的電解液采用二氧戊環(huán)(DOL)作為溶劑，首次實(shí)現(xiàn)了較高的容量發(fā)揮，使鋰硫電池在0.2C的快速充放電過(guò)程中依然達(dá)到350Wh/kg的能量密度。
記者：取得電解液材料研究進(jìn)展，前后用時(shí)多久?
張華民：電解液是決定鋰硫電池性能的關(guān)鍵材料之一，是鋰硫電池技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)。自2013年10月，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始將電解液作為主要突破點(diǎn)，致力于開(kāi)發(fā)出安全性好、使用壽命長(zhǎng)的鋰硫電池。
到2016年8月，團(tuán)隊(duì)在電解液領(lǐng)域取得初步進(jìn)展，研制出一類(lèi)不含硝酸鋰的高性能電解液，并在大容量(4—60Ah)鋰硫電池中獲得成功應(yīng)用，研發(fā)歷時(shí)2年零10個(gè)月。
技術(shù)攻關(guān)鋰硫電池挑戰(zhàn)
記者：團(tuán)隊(duì)在電池技術(shù)方向上，專(zhuān)攻哪些技術(shù)方向?
張華民：目前，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部在電池領(lǐng)域的研究主要側(cè)重三個(gè)方向：
① 大規(guī)模、固定式電池儲(chǔ)能技術(shù),包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池及鉛碳電池;
② 高比能、動(dòng)力電池技術(shù)，如鋰硫電池。研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)電池關(guān)鍵材料，例如電解液、碳硫復(fù)合物、隔膜等。
③ 可在環(huán)境溫度零下40℃—零上50℃運(yùn)行的全天候，高能量密度、高放電倍率電池。
記者：在鋰硫電池領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)都做了哪些努力和突破?
張華民：研究團(tuán)隊(duì)以鋰硫電池器件的產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，對(duì)限制鋰硫電池發(fā)展的關(guān)鍵材料(正極、負(fù)極、隔膜、電解液)及關(guān)鍵技術(shù)(電極涂覆、電池裝配、電池化成等)開(kāi)展了細(xì)致的研究，并取得相應(yīng)的突破。
例如，在正極材料方面，開(kāi)發(fā)出比表面積2300m2/g，孔容為8cm3/g的高性能多孔碳材料，并通過(guò)自創(chuàng)的“相轉(zhuǎn)化”成型工藝，制成具有獨(dú)特“三連續(xù)”結(jié)構(gòu)的鋰硫電池電極;在隔膜材料方面，開(kāi)發(fā)出具有納米級(jí)離子傳輸孔道的離子選擇透過(guò)隔膜;在電池器件方面，制成30Ah以上級(jí)鋰硫一次電池，能量密度達(dá)到900Wh/kg以上。
記者：鋰硫電池目前在技術(shù)上還面臨哪些瓶頸，下一步團(tuán)隊(duì)將在哪方面繼續(xù)努力?
張華民：鋰硫電池目前還存在很多技術(shù)挑戰(zhàn)。我們團(tuán)隊(duì)將在三個(gè)方面繼續(xù)努力：
繼續(xù)提高鋰硫電池的循環(huán)使用壽命;
繼續(xù)提高鋰硫電池的安全性;
開(kāi)發(fā)出能量密度超過(guò)1200Wh/kg的鋰硫一次電池。
鋰硫未來(lái)發(fā)展空間大
記者：在業(yè)內(nèi)看來(lái)，目前鋰硫電池具有較高的能量密度和低廉的成本，是儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要研究方向，能具體談?wù)剢?
張華民：首先看鋰硫電池的能量密度。在已知的電池負(fù)極材料中，金屬鋰的電位最負(fù)、比容量較大。在已知的正極材料中，單質(zhì)硫的電位適中、比容量也較大。
各類(lèi)型鋰電池能量密度表/圖 來(lái)源網(wǎng)絡(luò)
鋰硫電池是將金屬鋰和單質(zhì)硫組成電池，其理論比能量可以達(dá)到2600Wh/kg，是目前商品化鋰離子電池理論比能量的3—5倍。做成電芯產(chǎn)品后，鋰硫電池的實(shí)際能量密度依然可以達(dá)到300—900Wh/kg的較高水平，而商品化鋰離子動(dòng)力電池的能量密度僅為100—200Wh/kg。
即使將鋰離子電池的負(fù)極換成金屬鋰，其能量密度依然大幅低于鋰硫電池。因此，鋰硫電池具有很大的技術(shù)吸引力，是當(dāng)前儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要研究方向。
其次，關(guān)于鋰硫電池的成本。材料成本低廉是鋰硫電池的固有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的電芯組成和工藝條件，可以估算不同電池電芯原材料成本價(jià)格。
對(duì)鋰硫電池來(lái)說(shuō)，正極材料主要為碳硫復(fù)合物，成本非常低，成本主要來(lái)自于金屬鋰和電解液。鋰硫電池的電解液用量占電芯質(zhì)量的30%—50%，是鋰離子電池的2—3倍。隨著電池正負(fù)極性能的提高，鋰硫電池所需電解液的用量將大幅下降，成本會(huì)進(jìn)一步降低。
根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室6Ah軟包裝鋰硫電池估算，電芯成本約為0.21元/Wh，與以金屬鋰為負(fù)極、以富鋰錳材料為正極的金屬鋰離子電池相近，但是比目前商業(yè)化鋰離子電池的成本低得多。
然而，用戶(hù)在選擇電池的過(guò)程中，考慮的不僅是其瓦時(shí)成本，還需要考慮其循環(huán)壽命。目前為止，美國(guó)Sion Power 公司(鋰硫電池領(lǐng)軍企業(yè))開(kāi)發(fā)的400Wh/kg的、以金屬鋰為負(fù)極的鋰離子電池在160次循環(huán)的能量剩余為50%，這與以石墨為負(fù)極的鋰離子電池?cái)?shù)千次的循環(huán)壽命相差甚遠(yuǎn)。如果計(jì)算單次循環(huán)成本，鋰硫電池的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。因此，從使用成本的角度考慮，鋰硫電池的循環(huán)壽命仍需要進(jìn)一步提高。
記者：目前鋰硫電池還處于實(shí)驗(yàn)室階段，在您看來(lái)，鋰硫電池什么時(shí)候能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，未來(lái)發(fā)展空間如何?
張華民：鋰硫電池涉及很多技術(shù)問(wèn)題，如循環(huán)壽命短、金屬鋰穩(wěn)定性差、電解液易燃等。隨著這些問(wèn)題不斷得到解決，鋰硫電池的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷得到擴(kuò)展。
目前，鋰硫一次電池的比能量已經(jīng)達(dá)到900Wh/kg，可以在一些領(lǐng)域獲得應(yīng)用。然而，鋰硫二次電池的循環(huán)壽命還很短，還不到鋰離子電池的1/10，尚需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的發(fā)展歷程。
從實(shí)用角度講，鋰硫電池有可能首先在對(duì)比能量要求較高的無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并逐步向電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域擴(kuò)展。該電池的發(fā)展空間很大，但技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展機(jī)遇并存。
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