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锂硫动力电池能量密度

热3wdddc 2011-06-15 20:22

锂硫动力电池能量密度

可达到2600 Wh/kg

文 / 宗苏

有怎样的电池就有怎样的电动车！

新能源革命的热点已经集中到新能源电池的研究，世界各国的研究机构都在针对未来市场需求加紧研发，锂硫电池成为当前电池研究的热门课题之一。该电池的特点是原材料成本低、能源消耗少、低毒、能量密度高。锂硫电池的能量密度可达到2600 Wh/kg。

各国重视锂硫电池研发

锂硫电池已成为许多国家新能源汽车动力电池技术研究方向。日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）自2009年起，每年投入300亿日元（约合24亿元人民币）的研发预算，目标是在2020年能量密度达到500Wh/kg的水平。美国走的更快，能源部投入500万美元资助锂硫电池的研究，计划2013年能量密度达到500Wh/kg。中国有家公司宣布，今年已经在实验室达到 1200Wh/kg。

国际上锂硫电池研究的代表性厂商有美国的Sion Power、Polyplus、Moltech，英国的Oxis，韩国三星及中国的温斯顿等。Polyplus的2.1Ah锂硫电池的能量密度已达420Wh/kg或520Wh/l。2010年7月，Sion Power应用于美国无人驾驶飞机动力源的锂硫电池表现引人注目，无人机白天靠太阳能电池充电，晚上放电提供动力，创造了连续飞行14天的纪录。其能量密度和循环性能的近期目标分别是超过500Wh/kg和500次循环。到2016年，要达到600Wh/kg和1000次循环。

在中国，天津电子18所、防化研究院、清华大学、上海交通大学、国防科技大学、武汉大学、北京理工大学等正在进行锂硫电池的研究。深圳温斯顿已经在实验室研发成功，达到 1200Wh/kg以上。　　

研究中发现，由于正极活性材料的放电溶解及金属锂表面的不稳定性，硫本身及其放电产物的电绝缘性（5x10-30S/cm）等因素的影响，导致锂硫电池的循环稳定性较差，活性材料利用率偏低。

中国锂硫电池的研发呈现百花齐放的格局，主要是正极材料的选择各不相同。

锂硫电池的正极材料包括多孔碳，如大介孔碳、活性碳、碳凝胶等；碳纳米管、纳米结构导电高分子材料，如MWCNT、PPy、PANi/PPy以及PAN等。

大介孔碳作正极材料　

中国防化研究院的王维坤博士表示，大介孔碳可通过充填单质硫形成寄生型碳硫复合物。利用碳的高孔容（>1.5cm3/g），保证硫的高填充量，实现高容量；利用碳的高表面密度（>500cm2/g）吸附放电产物，提高循环稳定性；利用碳的高导电性（几S/cm）改善单质硫的电绝缘性，提高硫的利用率和电池的充放电倍率性能。

制造大介孔碳，采用纳米CaCO3作模版，酚醛树脂作碳源，经过碳化、CO2内活化、HCL去模版、水洗。表面密度为1215 cm2/g，孔容为9.0 cm3/g，电导率为23S/cm。然后，与硫在300℃高温下共热，制备成LMC/S材料，其中S占70%。

由于硫电极低电压平台的高低与电解液的粘度密切相关，粘度越大，低电压平台越低；电导率与粘度比值越高，电池的电化学性能越好。因此，电解液的优化组成为0.65M LiTFSI/DOL+DME(体积比1:2)。

多孔电极采用“冷冻干燥、冰晶制孔”工艺制备，可保证电解液的深层浸润，减少因放电产物的覆盖导致活性反应部位的损失。防化研究院1.7Ah锂硫电池的能量密度为320 Wh/kg；在100%DOD放电下，循环100次，容量保持率约为75%，循环效率最高为70%。第1年自放电率约为25%，平均每月自放电率在2~2.5%；0℃放电容量达到常温容量的90%以上，-20℃时的容差为常温容量的40%；过放/过充电时，电池不燃不爆，过充电时，电池鼓胀，内部有气泡产生。