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3D打印加持 “長續航”電池可期

鉅大LARGE  |  點擊量:68次  |  2020年07月12日  

摘要
無人機、電動汽車、電動飛機等實現“長續航”,一直是人們熱切期盼的事。然而,由于缺乏具有穩定“儲能”與“供電”能力的電源系統,這一期待總是會落空。值得欣慰的是,最近傳來了好消息——利用3D打印技術或可助

無人機、電動汽車、電動飛機等實現“長續航”,一直是人們熱切期盼的事。然而,由于缺乏具有穩定“儲能”與“供電”能力的電源系統,這一期待總是會落空。


值得欣慰的是,最近傳來了好消息——利用3D打印技術或可助力解決“長續航”面對的瓶頸問題。


日前,蘇州大學能源學院教授孫靖宇與我國科學院院士、北京大學教授劉忠范團隊構建出3D打印硫正極,并獲得了具有高倍率性能和高面容量的鋰硫電池。相關技術還可推廣到其他新興的儲能設備,為發展新型、高效、規模化的電極構筑方法供應重要借鑒。


相關研究成果近日發表在國際能源領域高水平期刊《納米能源》雜志上。


鋰硫電池中的“穿梭效應”


隨著人類社會的發展,人們對儲能系統也提出了更高的要求。


鋰硫電池因具有較高的理論能量密度、較低的電極材料成本,以及正極材料硫環境友好、資源豐富等優點,被認為是下一代最具發展前景的儲能體系之一。


“鋰硫電池在無人機、電動汽車及軍用便攜式電源領域有著巨大的產業應用前景。”論文共同通訊作者孫靖宇告訴《我國科學報》。但遺憾的是,由于硫及其放電產物導電率低、多硫化物穿梭以及反應動力學緩慢,導致硫的利用率低、循環穩定性和倍率性能差。


近年來,為了提高活性材料硫的利用率、改善鋰硫電池的電化學性能,科研人員進行了大量探索性研究,努力尋找適合的硫宿主材料、黏合劑以及電解質。


雖然這些領域目前都取得了許多研究進展和成果,但大部分鋰硫電池體系仍存在硫負載量低、面容量低、電解液使用過量等問題,遠遠不能滿足實際應用和商業化要求。


已有相關研究表明,導致現行鋰硫電池能量密度不足、電池循環壽命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效應”。


我國科學院大連化學與物理研究所研究員陳劍告訴《我國科學報》,所謂“穿梭效應”,即在鋰硫電池的放電過程,硫的電化學還原是兩電子、多步驟的反應,反應生成多硫化物(Li2Sx)中間產物,可溶解于醚類電解液。若擴散至負極,則與鋰反應生成不溶性的硫化鋰,鋰被腐蝕,消耗活性物質,造成容量的不可逆損失,降低電池的循環壽命。


“抑制‘穿梭效應’是鋰硫電池研究的關鍵之一,最核心的就是如何使其反應中生成的長鏈多硫化物束縛在硫正極側,或從根本上抑制多硫化物的出現。這在原理上是可行的,但還要深入探索。”陳劍說。


3D打印技術“加持”


3D打印技術自誕生以來,已經應用到醫療、軍工、航天、汽車、電子等各個領域。此外,其在鋰離子電池、鋰氧電池、鋅離子電池等儲能體系中也得到了初步應用。


劉忠范和孫靖宇團隊長期關注并開展烯碳能源材料及應用技術研究。近年來,他們從3D打印技術中找到了新的突破思路和啟示。


孫靖宇介紹,3D打印技術具有諸多優勢,如有助于構建具有多級孔結構的自支撐無集流體電極,并利于離子和電子的快速傳輸。3D打印技術通過控制打印層數實現控制電極材料負載量,突破了常規涂覆法制備電極的厚度限制,從而可獲得具有高單位面容量的電池系統。在實際應用方面,可滿足定制化和規模化儲能器件的構筑需求。


“然而,面向能量存儲應用領域的3D打印技術目前仍存在許多關鍵瓶頸,比如電極的打印精度對設備配置提出更高的要求、打印墨汁的制備工藝亟待系統探索,以及缺乏規模化印刷裝備等。”孫靖宇說。


研究人員借助3D打印技術,方便、高效、便捷地構筑了高負載硫正極。該架構具有經過優化的離子/電子傳輸通道和充足的孔隙率,有利于對多硫化物進行高效管理。


為了更好地抑制上述所提到的“穿梭效應”,研究人員對打印墨水也有著獨特的設計。


孫靖宇介紹,近年來,業界對金屬硼化物構建高性能鋰硫電池具有濃厚興趣。其中,具有類似性質的金屬性六硼化鑭(LaB6)作為一種低成本且可持續利用的化合物,已在諸多領域得到廣泛使用。


基于此,他們設計了包含硫/碳和LaB6電催化劑的混合墨汁,用于打印高性能的硫正極。金屬性LaB6電催化劑可以均勻地分布在3D打印的架構內,自發地確保有豐富的活性位點用于多硫化物的固定和轉化,從而實現高效率的放電或充電過程。


“這對多硫化物的管控起到了積極用途,更加有效地抑制‘穿梭效應’,從而獲得具有優異性能的鋰硫電池體系。同時,也為設計鋰硫電池的正極結構和提升硫正極的反應動力學供應了新的思路與策略。”劉忠范表示,該研究工作首次將高效電催化劑引入可打印墨汁中構建3D打印硫正極,獲得了具有高倍率性能和面容量的鋰硫電池。


邁向實用化仍有“屏障”


近年來,新技術、新方法的不斷革新,科技成果的加速轉化,推動著高性能鋰硫電池的實用化發展。陳劍團隊與依托我國科學院大連化學與物理研究所科技成果孵化的中科派思儲能技術有限公司合作生產的鋰硫電池組,目前已經在大翼展無人機、高速無人機上試飛成功。


“這一鋰硫電池的續航時間是同樣重量鋰離子電池的2.5倍。”陳劍說,未來要進一步提高電池的循環次數,而要實現這一目標,還要解決“穿梭效應”問題。


“在走向實用化和產業化進程中,鋰硫電極方面還存在諸多關鍵問題要解決。開發3D打印自支撐結構的硫正極值得關注。”劉忠范表示。


孫靖宇補充道,除了對高載量硫電極的規模化制備提出要求之外,還要考慮三個方面的問題。


首先是正極碳含量。孫靖宇指出,為了解決硫的絕緣性問題,通常要添加較多填量的導電碳來平衡,從而造成鋰硫電池體積能量密度低。因此,為了獲得高體積能量密度的鋰硫電池,要提高硫正極的振實密度及采用少碳甚至無碳硫宿主。


其次是電解液用量。“由于硫正極的多孔性導致要消耗大量電解液,為了獲得高能量密度的鋰硫電池,要通過優化正極的孔結構,降低電解液的用量。”孫靖宇說。


此外,金屬鋰負極也是關鍵問題之一,即在規模化鋰硫體系中,須采取抑制其枝晶生長策略等,保證鋰負極的安全性。


“未來,作為該研究的延伸,我們希望發展真正低碳乃至無碳、貧電解液、高載硫的鋰硫電池系統。”孫靖宇說。


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