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日本制成全固態(tài)鋰硫電池 比傳統(tǒng)鋰離子二次電池的能量密度高4倍

時(shí)間:2020-04-20 08:22來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:余秋云
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       據(jù)外媒報(bào)道，日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)（Toyohashi University of Technology）電氣與電子信息工程系的一組科學(xué)家采用一種低成本的簡(jiǎn)單液相法合成了一種活性含硫材料和碳納米纖維（CNF）復(fù)合材料。研究人員采用液相法制成了硫-CNF復(fù)合材料，再制成了全固態(tài)鋰硫電池，與鋰離子二次電池相比，其放電容量更高、循環(huán)穩(wěn)定性更好。因此，未來(lái)，此類(lèi)固態(tài)鋰硫電池將能夠用于電動(dòng)汽車(chē)等。
 
       去年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的鋰離子二次電池已被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。近年來(lái)，由于混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量增加，全固態(tài)電池作為下一代電池也受到了關(guān)注。特別是全固態(tài)鋰硫電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離子二次電池的5倍，因而其備受關(guān)注。不過(guò)，硫是一種絕緣體，因此限制了其應(yīng)用于電池設(shè)備。為了解決該問(wèn)題，硫必須配備能夠傳導(dǎo)離子和電子的路徑。
 
       該研究小組就提出了一種將含硫活性材料與碳納米纖維（CNF，由靜電組裝法制備而成）結(jié)合而成的陰極復(fù)合材料，此種碳納米纖維能夠在溶液中與其他材料均勻結(jié)合。采用硫-CNF復(fù)合材料和電化學(xué)穩(wěn)定液相法合成的Li2S-P2S5-LiI固體電解質(zhì)制備了全固態(tài)鋰硫電池，該電池的放電容量與硫的理論容量相當(dāng)，在多次充放電循環(huán)后仍保持較高容量。
 
       研究人員解釋了該電池的特點(diǎn)：“為了制出高性能的全固態(tài)鋰硫電池，需要將適量的含硫活性材料與適量的碳材料相結(jié)合。一般而言，硫碳復(fù)合材料通過(guò)機(jī)械混合、特殊有機(jī)溶液液體混合以及復(fù)雜法（硫與具有高比表面積的多孔碳材料相結(jié)合）合成。不過(guò)，幾乎沒(méi)有報(bào)道說(shuō)全固態(tài)鋰硫電池的容量可以與硫的理論容量幾乎相當(dāng)，循環(huán)穩(wěn)定性也高。所以，我們致力于采用一種低成本的簡(jiǎn)單靜電吸附法，將納米材料均勻地結(jié)合在一起，制成硫碳復(fù)合材料。研究也證實(shí)了采用靜電吸附法合成的硫碳復(fù)合材料能夠以片狀形式在碳納米纖維上積累，最終我們打造了全固態(tài)鋰硫電池，而且發(fā)現(xiàn)硫作為一種活性材料得到充分地利用。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，此種硫碳復(fù)合材料的生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)工藝制成成本低。”
 
       靜電吸附法利用聚合電解質(zhì)調(diào)整顆粒物表面的電荷，使較大的母顆粒物與較小的顆粒物能夠利用靜電吸附在一起，從而引發(fā)靜電作用。雖然之前有過(guò)利用靜電吸附法設(shè)計(jì)各種陶瓷復(fù)合材料的報(bào)道，但是很難調(diào)節(jié)硫表面的電荷。不過(guò)，該研究小組利用化學(xué)反應(yīng)，成功調(diào)整了電荷，在該化學(xué)反應(yīng)中，硫化鈉（Na2S）與硫（S）在離子交換水中反應(yīng)，形成了水溶性Na2S3。所以，該研究應(yīng)用靜電吸附的基本原理，實(shí)現(xiàn)了一種新型化學(xué)工藝。
 
       該方法能夠制備硫碳復(fù)合材料，成本低且相對(duì)簡(jiǎn)單，適合用于大規(guī)模生產(chǎn)。采用含硫活性材料制成的全固態(tài)鋰硫電池將得到實(shí)際應(yīng)用，預(yù)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)、家用和商用大型電源電池的能量密度也將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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