【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著科學(xué)探索逐漸步入地核與深空等難以充電的未知領(lǐng)域，高能量密度一次電池再次成為科學(xué)家關(guān)注的重點。在目前所有的電對中，鋰硫電池具有2600 Wh/kg的極高理論能量密度，是頗具潛力的一次電池體系之一。然而，鋰硫一次電池面臨著兩個挑戰(zhàn)，尚未實現(xiàn)實用化。一是低于預(yù)期的實際能量密度：過多用于促進硫轉(zhuǎn)化的非活性物質(zhì)(電解液與導(dǎo)電碳)的加入，增大了體系質(zhì)量負擔(dān)；緩慢的固體-液體-固體轉(zhuǎn)化降低了容量利用率。二是差強人意的儲能性能：單質(zhì)硫不斷從正極溶解，并通過濃度梯度擴散到負極對金屬鋰腐蝕產(chǎn)成Li2Sx（S8sol + Li → Li2Sx），導(dǎo)致正負極的容量在儲存過程中不斷損失。這些本質(zhì)上相互關(guān)聯(lián)的問題發(fā)生在整個電池體系中(正極側(cè)、電解液側(cè)和負極側(cè))，因此傳統(tǒng)的局部優(yōu)化方式如添加正極催化劑或強化負極SEI往往不能兼顧實際能量密度與儲存性能的需求。鑒于電解液在整個電池系統(tǒng)中的橋梁作用，科學(xué)家從電解液入手，逐步解決上述兩大困難成為切入點。
鋰硫電池的過大質(zhì)量主要來源于電解液，如何在不影響性能的前提下降低電解液質(zhì)量成為提高能量密度的重中之重。為此，傳統(tǒng)解決方法為降低電解液體積。然而，多孔正極和硫的固-液-固轉(zhuǎn)換機制對電解液的量有本質(zhì)的要求。無限制地減少電解液體積會造成正極浸潤不足，損害容量釋放，最終適得其反。相反，質(zhì)量公式m = ρ × V表明，當(dāng)降低電解液體積趨近邊際效應(yīng)時，降低密度能夠進一步有效降低電解液質(zhì)量。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部、北京清潔能源前沿研究中心研究員索鎏敏課題組，聯(lián)合北京科技大學(xué)毛慧燦課題組，針對鋰硫一次電池實用化的兩個挑戰(zhàn)，提出了具有封裝溶劑化結(jié)構(gòu)的超輕電解液策略。研究通過針對性地引入鏈狀單氧甲基叔丁基醚來構(gòu)建超輕電解液，使電解液質(zhì)量降低了23.1%，更使容量利用率提高了38.1%。此外，結(jié)合引入氟化石墨(CFx)的復(fù)合硫基正極策略，體系的能量密度得到進一步提升。在為期31天的靜置實驗中，S-CFx || UE || Li體系展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲性能。在軟包級別的評估中，該體系組裝的300 mAh級電池實現(xiàn)了661 Wh/kg的突破性能量密度以及低自放電率。
相關(guān)研究成果以Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會志》(JACS)上。研究工作得到中國科學(xué)院青年人才計劃以及“懷柔科學(xué)城”清潔能源材料測試診斷與研發(fā)平臺的支持。
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