锂硫电池应用的瓶颈问题上取得了突破，获得了长循环寿命的锂硫电池2021-04-09 08:45
近日，西安交大化工学院李明涛课题组在影响锂硫电池应用的瓶颈问题上取得了突破，设计开发了一种具有二维结构的石墨烯保护层正极材料，获得了长循环寿命的锂硫电池。
具体原理为，二维插层结构的g-C3N4/石墨烯夹层，如同在电池正负极之间构建了多层防鲨网，不仅能通过物理和化学双重用途阻挡多硫化物在正负极之间穿梭，还能加快锂离子的扩散，从而大大提升电池的循环寿命。
在我国，锂硫电池的开发相对较晚，仍处于实验室研发阶段，实际应用非常少。锂硫电池充放电过程中间产物多硫化锂的溶解引起穿梭效应，也一直被视为限制其实际应用的关键因素。
曾任猛狮科技副总裁的李青海博士曾称，多硫化物溶解穿梭是锂硫电池最重要和最难解决的问题，相关的改进工作还处于起步阶段，不过他看好锂硫电池作为一种高能量密度二次电池，极具发展前景。
比较当前主流的三元NCM锂离子电池，拥有硫正极的电池理论比能量高达2600Wh/kg，是目前广泛应用的锂离子电池的十倍以上。除此之外，硫具有元素储量丰富、成本低廉等优点，一旦大规模应用，将大大助推以锂离子电池为动力的电动汽车价格下降。
2016年国家发改委在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度达到300Wh/kg的锂硫电池技术。
作为比较，目前已经批量应用的动力锂电池，根据2017年公布的《促进汽车动力锂电池产业发展行动方法》，以及《汽车产业中长期发展规划》，单体比能量到2020年要达到300Wh/kg以上，到2025年要达到500Wh/kg。锂硫电池的理论能量密度超过500Wh/kg，因此被视为继锂离子电池之后下一代动力锂电池体系的发展方向。
为解决锂硫电池的实际应用问题，包括我国科学技术大学钱逸泰院士团队、华南理工大学王海辉团队、中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组、我国厦门大学化学家NanfengZheng团队以及上海交通大学王久林研究团队均作出了相关的突破。
2018年十月，我国科学技术大学钱逸泰院士团队和王功名教授课题组发现钴基化合物中阴离子的价电子的p能带中心相对费米能级的位置是影响Li-S电池界面电子转移反应动力学性质的重要因素。研究人员发现了正极极化现象最小，而且倍率性能也最好的钴基化合物载硫材料，甚至在40.0C的条件下，容量仍有417.3mAhg-1，对应的是当前最高的功率密度137.3kWkg-1。该研究成果发表在国际优秀能源材料期刊《焦耳》杂志上。
锂硫电池是一种以硫为电池正极，金属锂作为电池负极的电池体系，在解决金属Li负极易生成枝晶的安全性问题上，上海交通大学王久林研究团队制备了一种新的锂硫电池电解质溶液（用双氟磺酰亚胺锂溶于磷酸三乙酯和高闪点氟代醚获得了饱和电解液），与高浓度电解液相比，新的电解液成本低，粘度低而且增强了对金属Li电极的保护，能够有效清除Li电极的枝晶，从而清除可能存在的安全隐患，同时在60度以上高温下提高了安全性和电化学性能。
除了科研领域，电池公司在积极需求技术突破中也将锂硫电池作为技术储备之一，上市公司中，中核钛白、西藏城投、金路集团、国轩高科、猛狮科技等均对锂硫电池项目有所部署。
尽管锂硫电池在实现理想能量密度的过程中还存在一些问题，不过关于一些关于电池轻薄性有较高要求的应用领域，例如对无人机、潜水艇、士兵背负的电源包等用途来说，由于重量比价格或者寿命更加重要，锂硫电池已经开始得到实际应用。位于英国的初创公司Oxis能源公司最新研发的锂硫电池，和目前用于电动汽车的锂离子电池相比，每公斤可储存近两倍的能量。不过，它们持续的时间不是很长，在约100次充放电循环后便会失灵。Oxis的小型试验厂以年产1万~2万节电池为目标。据称这些电池会被封装在手机大小的薄袋子中。为何要尽快推动动力锂离子电池再生循环利用？虽然我国锂资源量位居全球第四，但由于锂矿品位差、提纯难度大、成本高，每年要进口大量的锂矿，对外依存度超过85%。而且我国需求还推动了电池级碳酸锂价格的暴涨，几年来涨幅接近3倍，极大加重了我国锂离子电池制造公司的采购成本。一方面，报废的动力锂离子电池是宝贵的‘城市矿山’，金属含量远高于矿石，将其中的锂、钴、镍等有价金属加以回收，再生利用，能够提高资源利用效率，减少进口，降低对外依存度，保护国家资源战略的安全。张天任说，另一方面，从防止污染保护环境的角度来说，报废锂离子电池假如处理不当，也会对生态环境造成很大的危害。
回收体系不健全、再生技术不成熟、激励措施不给力是目前面对的三大重要问题，为了更好地推动新能源汽车动力锂离子电池的再生利用、循环利用，保护生态环境，确保国家战略资源的安全，促进我国新能源汽车产业健康持续发展，他从多个方面提出了建议。
加快制订标准，统一管理规范，是开展相关工作的基础。他建议有关部门加快制订报废电池的回收及再生利用的管理标准、技术标准和评价标准。鼓励具有产业优势的地区编制新能源锂离子电池监管、回收、循环利用的规划和执行方法，通过先行先试，探索出更符合产业实际、更具可操作性的国家层面执行方法。
深圳市恒创兴电子科技有限公司是一家专业从事BMS电源管理系统、锂电池保护板、储能电池的开发、集成、测试、销售及相关电子产品的生产，混合集成电路的技术开发、生产、测试及销售一体的高新科技企业，电池保护板定制厂家。
具体原理为，二维插层结构的g-C3N4/石墨烯夹层，如同在电池正负极之间构建了多层防鲨网，不仅能通过物理和化学双重用途阻挡多硫化物在正负极之间穿梭，还能加快锂离子的扩散，从而大大提升电池的循环寿命。
在我国，锂硫电池的开发相对较晚，仍处于实验室研发阶段，实际应用非常少。锂硫电池充放电过程中间产物多硫化锂的溶解引起穿梭效应，也一直被视为限制其实际应用的关键因素。
曾任猛狮科技副总裁的李青海博士曾称，多硫化物溶解穿梭是锂硫电池最重要和最难解决的问题，相关的改进工作还处于起步阶段，不过他看好锂硫电池作为一种高能量密度二次电池，极具发展前景。
比较当前主流的三元NCM锂离子电池，拥有硫正极的电池理论比能量高达2600Wh/kg，是目前广泛应用的锂离子电池的十倍以上。除此之外，硫具有元素储量丰富、成本低廉等优点，一旦大规模应用，将大大助推以锂离子电池为动力的电动汽车价格下降。
2016年国家发改委在《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》中提出，要突破能量密度达到300Wh/kg的锂硫电池技术。
作为比较，目前已经批量应用的动力锂电池，根据2017年公布的《促进汽车动力锂电池产业发展行动方法》，以及《汽车产业中长期发展规划》，单体比能量到2020年要达到300Wh/kg以上，到2025年要达到500Wh/kg。锂硫电池的理论能量密度超过500Wh/kg，因此被视为继锂离子电池之后下一代动力锂电池体系的发展方向。
为解决锂硫电池的实际应用问题，包括我国科学技术大学钱逸泰院士团队、华南理工大学王海辉团队、中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组、我国厦门大学化学家NanfengZheng团队以及上海交通大学王久林研究团队均作出了相关的突破。
2018年十月，我国科学技术大学钱逸泰院士团队和王功名教授课题组发现钴基化合物中阴离子的价电子的p能带中心相对费米能级的位置是影响Li-S电池界面电子转移反应动力学性质的重要因素。研究人员发现了正极极化现象最小，而且倍率性能也最好的钴基化合物载硫材料，甚至在40.0C的条件下，容量仍有417.3mAhg-1，对应的是当前最高的功率密度137.3kWkg-1。该研究成果发表在国际优秀能源材料期刊《焦耳》杂志上。
锂硫电池是一种以硫为电池正极，金属锂作为电池负极的电池体系，在解决金属Li负极易生成枝晶的安全性问题上，上海交通大学王久林研究团队制备了一种新的锂硫电池电解质溶液（用双氟磺酰亚胺锂溶于磷酸三乙酯和高闪点氟代醚获得了饱和电解液），与高浓度电解液相比，新的电解液成本低，粘度低而且增强了对金属Li电极的保护，能够有效清除Li电极的枝晶，从而清除可能存在的安全隐患，同时在60度以上高温下提高了安全性和电化学性能。
除了科研领域，电池公司在积极需求技术突破中也将锂硫电池作为技术储备之一，上市公司中，中核钛白、西藏城投、金路集团、国轩高科、猛狮科技等均对锂硫电池项目有所部署。
尽管锂硫电池在实现理想能量密度的过程中还存在一些问题，不过关于一些关于电池轻薄性有较高要求的应用领域，例如对无人机、潜水艇、士兵背负的电源包等用途来说，由于重量比价格或者寿命更加重要，锂硫电池已经开始得到实际应用。位于英国的初创公司Oxis能源公司最新研发的锂硫电池，和目前用于电动汽车的锂离子电池相比，每公斤可储存近两倍的能量。不过，它们持续的时间不是很长，在约100次充放电循环后便会失灵。Oxis的小型试验厂以年产1万~2万节电池为目标。据称这些电池会被封装在手机大小的薄袋子中。为何要尽快推动动力锂离子电池再生循环利用？虽然我国锂资源量位居全球第四，但由于锂矿品位差、提纯难度大、成本高，每年要进口大量的锂矿，对外依存度超过85%。而且我国需求还推动了电池级碳酸锂价格的暴涨，几年来涨幅接近3倍，极大加重了我国锂离子电池制造公司的采购成本。一方面，报废的动力锂离子电池是宝贵的‘城市矿山’，金属含量远高于矿石，将其中的锂、钴、镍等有价金属加以回收，再生利用，能够提高资源利用效率，减少进口，降低对外依存度，保护国家资源战略的安全。张天任说，另一方面，从防止污染保护环境的角度来说，报废锂离子电池假如处理不当，也会对生态环境造成很大的危害。
回收体系不健全、再生技术不成熟、激励措施不给力是目前面对的三大重要问题，为了更好地推动新能源汽车动力锂离子电池的再生利用、循环利用，保护生态环境，确保国家战略资源的安全，促进我国新能源汽车产业健康持续发展，他从多个方面提出了建议。
加快制订标准，统一管理规范，是开展相关工作的基础。他建议有关部门加快制订报废电池的回收及再生利用的管理标准、技术标准和评价标准。鼓励具有产业优势的地区编制新能源锂离子电池监管、回收、循环利用的规划和执行方法，通过先行先试，探索出更符合产业实际、更具可操作性的国家层面执行方法。
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