中心主任丁建宁教授团队在锂硫电池储能技术领域取得一系列进展

   发布时间: 2017-04-20    访问次数: 23

  电池能量密度小和造价高始终是国内外二次电池发展的瓶颈。为了破解这一难题,世界各国的研究机构针对未来市场需求着力开展新型电池的研究工作,如锂硫电池、金属(锂、铝、锌)空气电池等高能电池,其优势是远超目前商业化二次电池的能量密度和更低的原材料成本。 其中,锂硫电池的能量密度预期将超过500Wh/Kg(软包装单体),远超过目前市场上主流锂动力电池约300Wh/Kg的理论能量密度(实际水平是100~150 Wh/kg)。

中心主任丁建宁教授团队在锂硫电池新型正极复合材料,新型器件结构等方面取得一系列进展。

   (1)基于新型结构的锂硫电池。(J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 942

  我们报道了一种基于3D集流体的新型硫电极,其中,硫储存区域与阴极反应区域被分开,以获得较大的单位面积容量。在本工作中,我们实现了这种新结构的锂硫电池的设计,制备并获得接近60mAh/cm2的单位面积容量,如图1所示。为了解决高单位面积容量下负极锂枝晶容易刺穿隔膜导致短路的问题,我们采用了预生成的锂铝合金粉末作为负极。

  我们进一步研究了利用Se元素对硫电极掺杂的作用,发现5%Se元素掺杂可以大大提高该新型锂硫电池的倍率性能和第二放电平台。该研究表明采用新型电池结构和三维集流体可以大大提高电池的单位面积容量。该高容量电池经过140个循环后仍然保持了超过75%的初始容量,如图2所示。

 1 基于三维集流体的新型电极结构

 2 新结构电池的电化学性能


  (2)基于a-NiS2客体材料的高性能锂硫电池。(J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 13395.

 溶液法制备的非晶二硫化镍/硫复合材料被用于锂硫电池正极材料。基于该复合材料的锂硫电池在1200个循环之后仍然保持了77%的初始容量。我们发现常温下溶液法制备的二硫化镍具有非晶的特性,可以很好地将硫纳米颗粒容纳在内部。如图3所示。

这种结构可以保证硫活性材料在反应过程中被充分利用,因此可以在0.1A/g的倍率下达到1540mAh/g的初始容量。进一步的研究发现非晶二硫化镍在反应过程中可以有效的吸附并容纳硫活性材料,因此可以保持良好的循环稳定性,如图4所示。

3 非晶二硫化镍/硫复合材料的扫描显微镜照片


 4a)基于非晶二硫化镍客体材料的锂硫电池的循环稳定性,(b)晶体二硫化镍,非晶二硫化镍及活性炭分别作为客体材料时的稳定性对比

3)基于NiS表面修饰的3D集流体的锂硫电池

    高比表面积的3D电极代替2D电极作为集流体或许有希望同时获得更高的单位面积硫负载量和理想的电化学性能。然而,相对于2D电极,在3D电极表面可控的制备均匀的硫活性材料薄膜将面临更大的挑战。为实现这一目标,这里,我们提出了一种新的电极制备策略。多孔的硫化镍薄膜首先通过电化学方法沉积在泡沫镍金属骨架的表面,硫活性材料随后被沉积在修饰过的泡沫镍集流体骨架上。

我们进一步研究了相关锂硫电池的电化学性能。研究发现,经过修饰的泡沫镍单位面积有效硫负载量提高到19.52 mg/cm2时在0.1C的放电速度下首次放电仍然保持了超过75%的硫利用率。同时经过NiS修饰过的集流体制备的硫电极(S-NiS-Ni Battery)表现出更优秀的倍率性能和稳定性,以及更小的内阻。







中心首页  |  常大首页  |  新闻动态  |  科学研究  |  发展历程  |  微信关注  |  联系我们  |  后台管理