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硫聚合物有望制备长寿命高容量锂硫电池

已有 4105 次阅读 2014-3-1 13:58 |系统分类:海外观察


锂硫电池的存储容量是当今最好的锂离子电池的4-5倍,但一直以来一些没有解决的问题限制了这种高容量电池的实际应用。现在研究者们发现基于硫的聚合材料有望解决锂硫电池所面临的问题。(ACS Macro Lett. 2014, DOI:10.1021/mz400649w).

一直以来锂硫电池因为寿命短的问题限制了其应用。常规的锂离子电池可以实现充放电1000次的循环,但是锂硫电池在充电100次之后就不能正常工作了。这主要是因为锂硫电池阴极硫在电解液中和锂离子反应生成锂硫盐会沉积在电极上,慢慢的耗尽阴极的硫从而降低电池的存储容量并造成电极结构上的一些问题。

有一些课题组通过使用纳米硫来阻止电极的溶解从而延长了锂硫电池的寿命,但是这些纳米材料都很昂贵。于是,亚利桑那大学的 Pyun教授等人开始考虑用硫聚合物制备电极。像其他塑料制品一样,有机硫聚合物容易大量生产而且价格便宜,原料的来源也很丰富。石油精馏每年会产生约6000万吨的单质硫,但是这些硫通常都找不到用处。

2013年,Pyun教授的实验室成功的实现了元素硫向廉价电极材料的转化(Nat. Chem.2013, DOI: 10.1038/nchem.1624)。他们将硫加热到185 oC然后再加入一种有机物1,3-二异丙烯基苯,二者会形成一种条状硫原子与1,3-二异丙烯基苯缠绕在一起的共聚物。其中有机的部分(1,3-二异丙烯基苯)不参与电池反应和储能,但是它可以作为一种塑化剂将反应中产生的锂硫盐限制在活性混合层中,阻止了这些物种往电极上沉积。在最新的研究中,他们希望能够找到最好的阴极材料配方并在电池中进行测试。他们用coin-cell的电池结构一共测试了2032种共聚物,每一种都含有不同数量的硫。这些电池类似于手表中用的电池,测试采用的都是标准的方法。

表现最好的是含硫90% 的共聚物,用这种共聚物制备的电池初始存储容量为1225mAh/g,经过100次充放电循环,容量下降至1005mAh/g;500次循环之后,降至635mAh/g。作为对比,常规的锂离子电池初始容量为200mAh/g,使用之后可以一直保持在这个水平。

要成为商品,这些用硫聚合物制备的电池在其寿命内必须要有稳定的电池容量并且要能够持续1000此的循环使用。为了达到这个目的,Pyun他们仍然在不断尝试新的硫共聚物,希望它们能有更好的表现。

德州农工大学的 Lutkenhaus也从事聚合物电池材料的发展, Lutkenhaus认为硫聚合物对于锂硫电池来说是一个非常有竞争力的材料,他认为除了存储容量比较大之外,这种聚合物材料在其他方面也现出了很好的前景,比如价格便宜,质量轻,可以实现柔性存储并作为可穿戴设备。甚至,可以将这种聚合物作为结构材料使用实现多功能,比如用它来做飞机的机翼,那么机翼就是一个电池。如果把它做成汽车的门,那么这个门也是一个电池。




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