液體鋰硫和鋰硒電池採用固體電解質 能量密度高達500Wh/kg

2021-01-08 蓋世汽車資訊

(圖源:greencarcongress)

蓋世汽車訊 據外媒報導,鄭州大學、清華大學和史丹福大學的研究人員,聯手開發液體鋰硫和鋰硒電池系統(簡稱SELL-S和SELL-Se)。這兩種電池採用固體電解質,能量密度有望超過500wh /kg和1000 wh /l,具備低的能量成本和良好的電化學循環穩定性,有望應用於規模化儲能等領域。

這些電池採用Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)陶瓷管作為電解質,將正負極之間完全隔離開,電池運行在240度的環境。工作溫度高於鋰的熔點,可有效抑制多硫化物或多硒化物穿梭效應,限制鋰枝晶生長,從而提升能量密度,加快充放電能力,並提高庫侖效率及能效,進一步保持穩定性。

目前最先進鋰離子電池的能量密度小於300wh/kg和750 Wh/L。硫和硒被視為取代鋰離子電池中商業金屬氧化物正極的重要侯選材料。因為這些材料具有高容量,鋰化為Li2S時為1670 mAh/g,鋰化為Li2Se時為675 mAh/g。從理論上來看,能提供高能量密度,鋰硫電池為2600Wh/kg和2800 Wh/L,鋰硒電池為1160 Wh /kg和2530 Wh/L。而且,材料成本相對較低,鋰硒電池為41美元/kWh,鋰硫電池為15美元/kWh。

自從硫和硒被用作電池電極以來,對鋰硫和鋰硒電池的研究備受關注。以前的研究主要集中於具有固態鋰金屬負極、固態硫或硒正極(呈粉末狀或採用不同的S/C或Se/C複合材料)和液態有機電解質的電池上。然而,由於使用的是固體鋰金屬和液體有機電解液,上述電池結構存在一定問題:(1)循環不穩定,庫侖效率低,因為在液態有機電解液中,短鏈Li2Sx或Li2Sex溶解,會引起穿梭效應;(2)液體有機電解液非常易燃,容易引起安全問題;(3)鋰負極出現枝晶生長,並與電解液發生副反應。鄭州大學金教授等人表示:「在充放電過程中,固體硫和硒的體積變化較大,引起活性硫和硒與集流器分離,導致循環不穩定,並降低硫和硒的利用率。這些問題嚴重阻礙了鋰硫和鋰硒電池的發展。」

SELL-S和 SELL-Se電池中含有液態鋰金屬負極、帶炭黑的熔融S或Se正極、LLZTO陶瓷管電解質。鋰金屬負極位於LLZTO管中,其中插入一根不鏽鋼棒,作為負極集流器。在LLZTO管外的不鏽鋼圓柱形容器中,插入帶有炭黑導電添加劑的S(Se)正極(質量比S或Se:C= 9:1),通過LLZTO管與鋰負極進行物理和電子分離。同時,不鏽鋼圓筒作為正極集流器工作。熔融S和Se所需的導電碳只佔總電極重量的10%,所以,固定負載最小。

相關焦點

  • 鋰硫、鋰空氣都不靠譜,革新型鋰離子電池可能才是王道
    ,解決Si/C負極的循環庫倫效率低下和富鋰錳基的電壓衰減問題,有望發展出能量密度突破400Wh/kg的動力電池;2、從遠期來看,革新型鋰離子電池較鋰硫、鋰空氣電池更具現實意義。開發基於陰離子電荷補償機制的高容量富鋰氧化物正極(350mAh/g),可以發展出能量密度大於500Wh/kg的動力電池;3、安全性決定了高能量比電池裝車應用的前景,發展自發熱控制技術和全固態電池是可行的解決方案,亟需加緊攻關;4、高載量電極是實現電池高能量比的基礎,根據極化模型,開發梯度孔率電極,對於高能量比電池具有重要作用和意義。
  • 500Wh/kg不是夢,聚合電解質助力超高比能量鋰金屬二次電池!
    隨著電動汽車的快速發展,對於動力電池能量密度的要求也在不斷提升,目前國內動力電池廠家已經基本完成了300Wh/kg產品的開發,能夠滿足現階段電動汽車的需求,但是這也已經接近了傳統鋰離子電池體系能量密度的上限,繼續提升的空間已經非常有限。金屬鋰的理論比容量可達3860mAh/g,電位僅為-3.04V(vs 標準氫電極),是下一代高比能儲能電池的最佳負極材料。
  • ...蔚來|鋰硫電池|固態電池|動力電池|鋰離子電池|中國科學院物理...
    根據中科院物理所研究員李泓的介紹,原位固化是物理所的成果,他們的核心理念是,通過注液保持良好的電解質與電極材料的原子級接觸,之後通過化學或電化學反應,將液體電解質部分或全部轉換為固體電解質,綜合平衡高電壓、安全性、鋰枝晶、體積膨脹和接觸內阻等問題。
  • 科學家研發新型半固態電解質,通過重新構想的電池組件實現
    該液體電解質在充電和放電時在鋰離子之間來回傳遞。Ying教授說:「同時包含液體和固體成分的混合準固體電解質已成為切實可行的折衷方案,以在保持良好性能的同時獲得更安全的電池。」但是,固體的高電阻到目前為止,組件已經限制了這種電池的性能。為了克服這個問題,我們重新設計了固體成分的微觀結構。我們的解決方案消除了電解質洩漏,並且在熱和機械方面均穩定。」 採用NBL新型電解液製成的鋰硫電池具有容量大、充放電速度快等優點,穩定了電池的性能。
  • 【猛獅科技】前沿丨義大利研發出可「閃充」半固態鋰氧電池 能量密度1000Wh/kg
    關鍵詞:鋰電池;快充電池來源丨科技部義大利博洛尼亞大學發布消息稱,該校研究人員研發出了新型半固態氧流量鋰電池NESSOX。具有高達1MWh/t(即1000Wh/kg)能量密度,可以像汽車「加油」一樣,在幾分鐘內通過更換電池內部液體電解質完成充電。義大利博洛尼亞大學發布消息稱,該校研究人員經過8年努力,研發出了新型半固態氧流量鋰電池NESSOX。具有高達1MWh/t(即1000Wh/kg)能量密度,可以像汽車「加油」一樣,在幾分鐘內通過更換電池內部液體電解質完成充電。
  • 水系鋰電池獲關鍵突破,能量密度超 300Wh/kg,或成電池發展未來
    該正極材料的能量密度是如今商用鈷酸鋰正極的 1.5-2 倍左右。搭配上石墨負極,高安全性水系電解質,電池能量密度最高達到 304Wh/kg(含電解液),相當甚至高於目前商用鋰離子電池的能量密度。該成果於近日發表在了 Nature 上,論文第一作者為馬裡蘭大學化學與生物分子工程系研究員楊重寅、陳驥。
  • 氟化助溶劑實現貧電解液條件下483 Wh/kg的高性能鋰硫電池
    鋰硫電池實用要求必須滿足貧電解液和高庫侖效率鋰金屬負極。在本文中,研究者在Li-S電池的電解質中使用1,1,2,2-四氟乙基2,2,2-三氟乙基醚(TFTFE)作為助溶劑,其可促進在鋰金屬負極上形成富LiF的固體電解質中間相。該助溶劑對鋰電鍍/剝離的平均庫侖效率為99.4%。鋰負極與S@PAN正極之間的容量比為2的全電池在2 µL mg-1的E/S比下,在100次循環中表現出穩定的循環壽命。
  • ...400Wh/kg!世界第一座鋰硫電池工廠開建 2023年開始每年生產500萬
    巴西NORDIKA Pharmaceutical公司將承建新鋰硫電池工廠機械布局相關的設計和工程,已經開始進行工廠的升級工作,涉及的投資超過5000萬美元,目標是到按照OXIS能源公司的計劃,第一階段租用約20,000平方米的土地,實現每年生產500萬個鋰硫電池,每年總產能或不超過幾百兆瓦時,同時根據需要進一步擴大產能,增加電池容量。鋰硫電池的正極和電解質將從英國供應,計劃在2021年投產的英國南威爾斯州塔爾伯特港附近的肯菲格山新工廠最初每年可以支持500,000個電池的生產。
  • ​採用LLZO基複合高分子薄膜作為高能量密度鋰金屬電池的電解
    研究背景鋰金屬電池(LMBs),由於其具有更高的能量密度,被研究學者廣泛認為是可替換當前商用鋰離子電池(LIB)的一種電池技術。由聚合物電解質組成的鋰金屬電池,即鋰金屬聚合物電解質電池(LMPEB),由於其以下突出的優點而成為鋰金屬電池相關研究中的熱點:(1)由於聚合物電解質的可燃性降低,鋰金屬電池的安全性得到了提高。
  • 新一代鋰金屬電池能量密度500Wh/kg的重大突破
    密度能量變得更高、重量變得更輕、壽命變得更長、安全性能也得到了提高,鋰電池研發和應用的世界紀錄正在安徽省合肥市被不斷刷新。6月15日,合肥啟蒙科技城宣布,經過近兩年的研發,安徽盟維新能源科技有限公司在新一代500瓦時/千克鋰金屬電池的能量密度方面取得重大突破。
  • 鋰空氣電池和鋰硫電池的工作原理和發展中存在的問題
    1鋰空氣電池鋰空氣電池是金屬空氣電池中的一種,由於使用分子量最低的鋰金屬作為活性物質,其理論比能量非常高。不計算氧氣質量的話,為11140 Wh/kg,實際上可利用的能量密度也可達 1700 Wh/kg,遠高於其它電池體系。鋰空氣電池的基本結構和工作機理如下圖所示。
  • 陳人傑:多電子高比能二次電池新體系及先進功能電解質材料研究進展
    因此,研發具有高能量密度、高安全性、長壽命的鋰二次電池及其關鍵材料已成為當前研究熱點。發展基於多電子反應機制的高比能鋰硫電池被認為是前沿動力電池技術發展的重要方向之一,其正極活性物質硫具有質輕、價廉的優點,與金屬鋰負極匹配可以構築理論質量能量密度達到2600Wh·kg–1的二次電池體系,在未來的新型化學電源發展中具有良好的應用前景和商業價值。
  • 鋰硫電池充放電原理_鋰硫電池的應用
    鋰硫電池充放電原理   鋰硫電池不同於鋰離子電池、燃料電池、空氣電池之類的,它是正二八經的電池,和傳統電池原理最接近的電池,正極材料一般由硫和高導電性材料複合而成,這主要是因為硫本身不導電,如上圖中的黃點和黑點就是硫和碳的混合物,所以這就是說硫作為正極必須加導電劑,而且是高導電性的,這就降低了正極硫的能量密度(導電劑佔了重量但不產生能量);負極採用鋰片
  • 科學家們發現可以提高鋰離子電池性能的固體電解質材料
    史丹福大學材料科學與工程系的訪問學者奧斯汀·森德克(Austin Sendek)說:「典型的鋰離子電池有兩個固體電極,中間有兩個高度易燃的液體電解質。」 「我們的目標是設計穩定,低成本的固體電解質,從而增加電池的功率和能量輸出。」
  • 鋰硫精選:10篇好文回顧鋰硫電池近期工作進展
    鋰硫電池(Li-S)已成為未來儲能設備的一種可行的替代品,基於鋰和硫的電化學反應具有遠遠高於目前商業化的鋰離子電池的理論能量密度(2600 Wh kg-1)。本文總結了鋰硫電池最新的研究進展,包括正極載體材料、隔膜和固態電解質/電解液等方面,希望對有關研究人員有所啟發。1.
  • 新能源汽車電池展望:固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池?
    新能源汽車的發展對電池的要求越來越高,我國《節能與 新能源汽車技術路線圖》提出2030 年電池比能量達到 500 Wh/kg,目前的鋰離子電池都滿足不了此要求。加快新型動力 電池的開發勢在必行,當前主要進行研發的新一代動力電池 包括固態鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。
  • 蔚來360Wh/kg的固態電池,到底是不是真的?
    事實上國產的純電動車,能量密度目前能達到170Wh/kg、180Wh/kg就已經算最優秀的了。其二,能量密度不是越高越好,現有高鎳含量的三元鋰電池,密度越高,越有自燃、爆炸的風險。為什麼奔馳、豐田這樣傳統車企在國內推電動車,只願意用130Wh/kg左右的低密度電池,就是這個原因。
  • 又薄又柔的固態電解質,讓全固態鋰電池飛起來!
    鋰離子電池是當今電池世界的霸主,隨著對能量密度越來越高的要求,採用金屬鋰負極成為大勢所趨,而金屬鋰負極進一步增加了電池安全風險。解決電池安全性能的重要任務,就這樣落到了全固態鋰電池的肩上。為了獲得與基於液體電解質的鋰電池相當的能量密度,固體電解質需要具有高離子電導率、力學強度好、不可燃、化學穩定性等特性。