阻礙鋰硫電池的發(fā)展因素有哪些？解決這些才是當(dāng)務(wù)之急
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-23 11:59
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鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，是未來各國布局的重點(diǎn)研究方向之一。但隨著研究的不斷深入，鋰硫電池也面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前存在的主要問題是鋰硫電池的體積能量密度較低，導(dǎo)致其在很多重要的市場應(yīng)用中失去競爭力，同時(shí)高電解液用量也成為其重量能量密度提高的瓶頸。主要原因在于硫是離子和電子絕緣體，因此正極中的硫需要大量非活性物質(zhì)來發(fā)揮容量。一方面，需要加入大量高比表面積的碳（通常>30%）來保證電極良好的電子電導(dǎo)，導(dǎo)致電極孔隙率通常>70%(商業(yè)化鋰離子電池正極：<40%)，這就使鋰硫電池的體積能量密度大打折扣。另一方面，高氣孔率需要大量電解液浸潤和溶解中間產(chǎn)物來保證電極的離子電導(dǎo)（電解液活性物質(zhì)比:鋰硫電池通常>3uL/mg，商業(yè)化鋰離子電池通常<0.5uL/mg），從而大大限制了鋰硫電池的重量能量密度。因此，當(dāng)前制約鋰硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸是如何在高活性物質(zhì)負(fù)載條件下（10mg/cm2），實(shí)現(xiàn)低電解液用量、高電極密度及低非活性物質(zhì)含量。
中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組副研究員索鎏敏(LiuminSuo)與美國麻省理工學(xué)院教授李巨（JuLi）和博士薛偉江(WeijiangXue)合作針對目前鋰硫電池存在的共性問題——電池器件級別能量密度不高的問題，創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極，使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10mg/cm2)，含碳量降低到小于10wt%，電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2μLmg-1，電極孔隙率低于55%。采用此新型混合電極的安時(shí)級軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度（581Wh/L）和重量能量密度（366Wh/kg），為未來開發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案（圖1）。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上（NatureEnergy，2019,DOI:10.1038/s41560-019-0351-0），文章題目為Intercalation-conversionhybridcathodesenablingLi–Sfull-cellarchitectureswithjointlysuperiorgravimetricandvolumetricenergydensities。
相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0104400）、國家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。
儲能，是新能源行業(yè)發(fā)展過程中的必不可少的環(huán)節(jié)。儲能技術(shù)的進(jìn)步，在一定程度上決定了新能源產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的速度。
目前市場中常見的儲能技術(shù)主要有電池儲能、抽水蓄能、氫能儲能、壓縮空氣蓄能以及飛輪蓄能等。
而近日，丹麥一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施的落成宣告了另一種儲能應(yīng)用方式的出現(xiàn)：采用石頭來儲存能量。
如圖所示，中心位置便是整個(gè)設(shè)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——一堆石頭。
簡單來說就是把這些巖石裝在一個(gè)四周隔熱的容器中，當(dāng)周圍的風(fēng)電、光伏產(chǎn)生多余的能源時(shí)，高溫空氣泵將會把這些能源送入容器，加熱到600℃，由風(fēng)力渦輪機(jī)的剩余電力提供能量，以熱量形式儲存起來。
一段時(shí)間之后，這些能源被使用時(shí)，熱空氣將會從容器中排出，排出的熱空氣加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電產(chǎn)生電力，余熱還可以作為區(qū)域供熱使用。
這一設(shè)備擁有廉價(jià)環(huán)保、易操作實(shí)施的特性，同時(shí)結(jié)合其它充放電技術(shù)，能夠有效地降低成本，減少能量損耗，提升儲能效率。
據(jù)丹麥技術(shù)大學(xué)表示，這一儲能設(shè)備可以滿足到2035年裝機(jī)容量為1.4GW儲能的10%需求，平均每天可以存儲和釋放儲能容量超過300MWh。
無獨(dú)有偶，除了丹麥外，英國也正在利用冷熱巖石的溫差進(jìn)行儲能項(xiàng)目的研究。
今年1月，世界首個(gè)電網(wǎng)規(guī)模的蓄熱儲能系統(tǒng)在英國建成，該系統(tǒng)容量為150kW/600kWh，目前已經(jīng)完成安裝，進(jìn)入測試階段。
這一系統(tǒng)同樣是儲能多余的可再生能源驅(qū)動熱泵，在熱側(cè)將氬氣壓縮升溫至500℃，利用巖石進(jìn)行儲能。
與丹麥此次項(xiàng)目不同的是，該系統(tǒng)還多了一個(gè)“低溫冷電池”，氬氣膨脹后降溫到-160℃，可以將能量釋放到儲能材料中，釋放能量的同時(shí)，氬氣向相反的方向流動用來發(fā)電并返回電網(wǎng)。
中國科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室E01組副研究員索鎏敏(LiuminSuo)與美國麻省理工學(xué)院教授李巨（JuLi）和博士薛偉江(WeijiangXue)合作針對目前鋰硫電池存在的共性問題——電池器件級別能量密度不高的問題，創(chuàng)新地提出采用高電子和離子電導(dǎo)的嵌入式電極材料Mo6S8取代非活性物質(zhì)碳構(gòu)成嵌入-轉(zhuǎn)換型混合電極，使得硫正極在保證高活性物質(zhì)負(fù)載量的條件下(大于10mg/cm2)，含碳量降低到小于10wt%，電解液活性物質(zhì)比大幅度降低到1.2μLmg-1，電極孔隙率低于55%。采用此新型混合電極的安時(shí)級軟包全電池在保證循環(huán)壽命的條件下單體能量密度大幅度提升，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的體積能量密度（581Wh/L）和重量能量密度（366Wh/kg），為未來開發(fā)新型高能量密度的鋰硫電池提供了一條全新的解決思路和切實(shí)可行的商業(yè)化技術(shù)方案（圖1）。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上（NatureEnergy，2019,DOI:10.1038/s41560-019-0351-0），文章題目為Intercalation-conversionhybridcathodesenablingLi–Sfull-cellarchitectureswithjointlysuperiorgravimetricandvolumetricenergydensities。
相關(guān)工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0104400）、國家自然科學(xué)基金委（51872322）等的支持。
儲能，是新能源行業(yè)發(fā)展過程中的必不可少的環(huán)節(jié)。儲能技術(shù)的進(jìn)步，在一定程度上決定了新能源產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的速度。
目前市場中常見的儲能技術(shù)主要有電池儲能、抽水蓄能、氫能儲能、壓縮空氣蓄能以及飛輪蓄能等。
而近日，丹麥一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施的落成宣告了另一種儲能應(yīng)用方式的出現(xiàn)：采用石頭來儲存能量。
如圖所示，中心位置便是整個(gè)設(shè)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——一堆石頭。
簡單來說就是把這些巖石裝在一個(gè)四周隔熱的容器中，當(dāng)周圍的風(fēng)電、光伏產(chǎn)生多余的能源時(shí)，高溫空氣泵將會把這些能源送入容器，加熱到600℃，由風(fēng)力渦輪機(jī)的剩余電力提供能量，以熱量形式儲存起來。
一段時(shí)間之后，這些能源被使用時(shí)，熱空氣將會從容器中排出，排出的熱空氣加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電產(chǎn)生電力，余熱還可以作為區(qū)域供熱使用。
這一設(shè)備擁有廉價(jià)環(huán)保、易操作實(shí)施的特性，同時(shí)結(jié)合其它充放電技術(shù)，能夠有效地降低成本，減少能量損耗，提升儲能效率。
據(jù)丹麥技術(shù)大學(xué)表示，這一儲能設(shè)備可以滿足到2035年裝機(jī)容量為1.4GW儲能的10%需求，平均每天可以存儲和釋放儲能容量超過300MWh。
無獨(dú)有偶，除了丹麥外，英國也正在利用冷熱巖石的溫差進(jìn)行儲能項(xiàng)目的研究。
今年1月，世界首個(gè)電網(wǎng)規(guī)模的蓄熱儲能系統(tǒng)在英國建成，該系統(tǒng)容量為150kW/600kWh，目前已經(jīng)完成安裝，進(jìn)入測試階段。
這一系統(tǒng)同樣是儲能多余的可再生能源驅(qū)動熱泵，在熱側(cè)將氬氣壓縮升溫至500℃，利用巖石進(jìn)行儲能。
與丹麥此次項(xiàng)目不同的是，該系統(tǒng)還多了一個(gè)“低溫冷電池”，氬氣膨脹后降溫到-160℃，可以將能量釋放到儲能材料中，釋放能量的同時(shí)，氬氣向相反的方向流動用來發(fā)電并返回電網(wǎng)。
