鋰硫電池基礎(chǔ)技術(shù)

在制定了減少溫室氣體研發(fā)戰(zhàn)略的《科技振興安排》(JST)的指導(dǎo)下，日本文部科學(xué)省正在推動優(yōu)秀低碳技術(shù)(ALCA)的發(fā)展。2016年二月，項(xiàng)目開發(fā)領(lǐng)域之一新一代電池技術(shù)吹風(fēng)會召開。日本東北大學(xué)和關(guān)西大學(xué)介紹了旨在完成LIS電池的新基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。

一個強(qiáng)大的替代后鋰離子電池是LIS。目前正在開發(fā)幾項(xiàng)基本技術(shù)來完成LIS電池。其中之一是由日本東北大學(xué)(tohokuuniversity)原子和分子材料科學(xué)高級研修班(advancedworkshoponatomicandmolecularmaterialsscience)教授田茂(shigerutsuru)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開發(fā)的固體電解質(zhì)。它的電解質(zhì)是復(fù)合氫化物，它在鋰離子電池上的應(yīng)用是人們期待已久的。

鋰離子電池是以硫?yàn)檎龢O材料，以鋰金屬為負(fù)極材料的電池。作為陰極材料的硫的理論容量密度約為1670mAh/g，是鋰離子電池常用三元材料的6倍以上。另一方面，作為正極材料的金屬鋰的理論容量密度為3861mAh/g，是鋰離子電池常用正極材料碳(372mAh/g)的10倍左右。其能量密度預(yù)計將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的鋰離子電池。

而LIS電池的問題在于，假如鋰離子電池使用的是有機(jī)電解液，電池容量會隨著充放電周期的延長而顯著降低。電池充放電過程中出現(xiàn)的硫和鋰中間產(chǎn)物會溶解在電解液中，呈負(fù)極反應(yīng)，導(dǎo)致充放電用硫的用量大幅度減少。

改變電解液或碳材料

正在考慮的策略之一是使用比液體更安全的固體電解質(zhì)來防止硫的溶解。東北大學(xué)的研究小組正在開發(fā)可用于這種固體電解質(zhì)的復(fù)合氫化物。

該團(tuán)隊正在研究復(fù)雜的氫化物，因?yàn)樗鼈冊陔姵刂惺褂脮r更穩(wěn)定。在此之前，硫化物和氧化物作為固體電解質(zhì)被廣泛研究。盡管有許多類型的離子電導(dǎo)率可以用于電池，但并沒有很多類型的離子電導(dǎo)率具有電池運(yùn)行所需的穩(wěn)定性。絡(luò)合氫化物是指由金屬陽離子M(Li+、Na+、Mg2+等)和絡(luò)合陰離子M'hn((BH4)-、(NH2)-、(AlH4)-、(AlH6)3-等組成的物質(zhì)。在150℃時，熱分解并不容易。組成元件可由輕元素構(gòu)成，只需在室溫下在單軸軸上加壓即可出現(xiàn)良好的電解液。但離子電導(dǎo)率低，操作溫度高。

例如，電流型電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率超過10-2s/cm(室溫)。硼氫化鋰(LiBH4)是一種復(fù)合氫化物，其離子電導(dǎo)率在390K(約120℃)下為2倍。在10-3s/cm以上，室溫下約為10-7s/cm(圖1、2)。通過碘離子取代部分BH4離子((BH4)-)，團(tuán)隊將室溫下離子電導(dǎo)率提高到10-5~10-4s/cm左右。然而，于說，要達(dá)到今天鋰離子電池的能量密度和輸出密度水平，要提升到10-3s/cm左右。除了LiBH4，該團(tuán)隊還在探索其他復(fù)雜的氫化物。Li2B12H12(約10-4s/cm,60c)和化合物如LiNH2和LiBH4也是候選。