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新型原位保护层技术提升Li-S电池循环性能

本文摘要:随着人们对化学储能电池能量密度的拒绝大大提升,传统的锂离子电池早已渐渐无法符合高比能电池的市场需求,为了更进一步提高电池的能量密度,人们研发了多种低能量密度体系,例如Li-O2电池和Li-S电池,其中Li-O2电池的理论比能量平均3600Wh/kg,远高于目前的锂离子电池体系。S的理论比容量超过1672mAh/g,理论比能量超过2600Wh/kg,虽然稍逊色于Li-O2电池,但是Li-S电池的优势是技术成熟度较高,有期望需要在短时间内实际应用于。

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随着人们对化学储能电池能量密度的拒绝大大提升,传统的锂离子电池早已渐渐无法符合高比能电池的市场需求,为了更进一步提高电池的能量密度,人们研发了多种低能量密度体系,例如Li-O2电池和Li-S电池,其中Li-O2电池的理论比能量平均3600Wh/kg,远高于目前的锂离子电池体系。S的理论比容量超过1672mAh/g,理论比能量超过2600Wh/kg,虽然稍逊色于Li-O2电池,但是Li-S电池的优势是技术成熟度较高,有期望需要在短时间内实际应用于。

Li-S电池不存在的主要问题有以下几点:1)S和金字锂产物的电导率很低,容许了其性能充分发挥;2)嵌锂中间产物多硫化物的沉淀和其在正负极之间来回的问题,这某种程度不会导致负极活性物质的损失,还不会造成较低库伦效率;3)嵌锂造成S体积收缩的问题,平均80%,引发电极结构毁坏,容量衰降;4)负极锂枝晶的问题,在电池的过程中金属锂的表面由于电流产于不均匀分布的问题,不会造成锂枝晶的生长问题,这不仅不会造成容量衰降,还有可能引起相当严重的安全性问题。这其中S的体积收缩和电导率较低的问题早已通过将S与其他导电材料填充的方法获得了解决问题,目前还必须解决问题的是金字锂中间产物的沉淀的问题。近日,来自同济大学的LimingJin等人利用原位构成保护层技术,在S的表面外壳了一层La2S3导电封锁层,需要很好的诱导嵌锂中间产物向电解液中沉淀,增加来回效应,提升电池的循环性能,同时该保护层还需要诱导Li2S的结晶,提升离子电导率。

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因此用于该技术的Li-S电池在0.2C循环300次后,其容量依然需要超过803mAh/g,在5C倍率下依然可以取得410mAh/g的高容量。实验中LimingJin将La(NO3)3沉淀在电解液中,取得1wt%溶液,通过S电中的金字锂产物多硫化合物LiPS与La(NO3)3反应取得La2S3表面保护层。

为了分析该过程的反应机理,LimingJin展开了右图右图的试验,向Li2S4的溶液中重新加入La(NO3)3溶液,经过三个小时后,溶液完全早已逆的回应了,LimingJin指出反应机理如下右图。对反应产物的检测也指出,产物为晶体La2S3。


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