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韩国获锂硫电池研发新见解 或取代现有锂离子电池

2020-07-03 来源:盖世汽车 

盖世汽车讯 在过去几十年中,移动技术、可穿戴电子设备、电动汽车以及各种各样便携式设备的使用大幅增长,促使全球各地的科学家都寻求可充电电池的下一个突破。而锂硫电池(LSB)由含硫阴极和浸泡在液体电解质中的锂阳极构成,而且由于成本低、无毒,硫储量丰富等原因,有望取代现在随处可见的锂离子电池。

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(图片来源:大邱庆北科学技术院)

不过,在电池中使用硫会遇到两个问题。首先,在电池“放电”循环过程中,在阴极上会形成可溶解的锂聚硫化物(LiPS),并扩散至电解质,且轻易地到达阳极,并在阳极逐渐降低电池的容量。第二,硫不具导电性。因此,需要采用一种导电多孔的主体材料来容纳硫,并同时在阴极捕获锂聚硫化物。近年来,由于碳基主体结构具导电性,人们对其进行了研究。但是,碳基主体材料不能捕获锂聚硫化物。

据外媒报道,韩国大邱庆北科学技术院(the Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)的科学家提出了一种名为“薄片有序介孔二氧化硅”(platelet ordered mesoporous silica,pOMS)的新型主体结构。他们的选择与众不同之处在于,低成本金属氧化物二氧化硅实际上并不具有导电性,但是,二氧化硅的极性很高,能够吸引锂聚硫化物等其他极性分子。

将导电碳基剂应用于pOMS结构时,结构空隙中原有的固体硫会溶解到电解质中,并扩散至导电碳基剂,将其还原以产生锂聚硫化物。通过此种方式,硫可以高效地参与到必要的电化学反应中,尽管二氧化硅不具导电性。同时,pOMS的极性特性确保锂聚硫化物会接近阴极,远离阳极。

科学家们还构建了类似的非极性、高导电性传统多孔碳主体结构,以与pOMS结构进行比较实验。负责领导该研究的Jong-Sung Yu教授表示:“含碳主体材料的电池最初的容量很高,但由于非极性碳和锂聚硫化物之间的微弱互动,导致电池容量很快就下降。在电池连续充放电循环中,该二氧化硅结构清晰地留住了更多的硫,在循环次数高达2000次时,电池还具备更大的容量和稳定性。”

综上所述,从该研究获得的最重要见解或许是,并不需要像以前一样,认为锂硫电池的主体结构需要具备导电性。Yu教授表示:“我们的研究结果令人惊讶,因为没有人会想到,不导电的二氧化硅会是一种高效的硫主体材料,甚至比最先进的碳主体材料更好。”该项研究拓宽了锂硫材料主体材料的选择范围,并可能导致下一代硫电池的范式转变。