鋰硫電池要接棒三元鋰電池了？

繼今年6月中南大學(xué)賴延清教授團(tuán)隊在鋰硫電池高安全、高比能與長壽命難以協(xié)同問題上的研究取得重大突破，鋰硫電池技術(shù)研發(fā)又接連傳來捷報。近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分別在黏土礦物超親電解液鋰電池隔膜研究、影響鋰硫電池化學(xué)動力性能主要因素研究上均獲得重大進(jìn)展，對推動鋰硫電池在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用又邁進(jìn)了關(guān)鍵一步。

“里程焦慮”這一短板已成為新能源汽車進(jìn)一步推廣普及的主要障礙，而現(xiàn)有的鋰電池材料體系很快就要觸碰到能量密度的“天花板”。盡管國內(nèi)外車企和動力電池企業(yè)均看好全固態(tài)電池，但業(yè)界對其最為樂觀的預(yù)計也要到2025年之后才能商業(yè)化應(yīng)用，而要技術(shù)完全成熟則可能要等到2030年以后。全固態(tài)電池的路還有點遠(yuǎn)，對于新能源汽車及動力電池企業(yè)來說，尋找其他能更快商業(yè)化的鋰電新材料體系也非常必要。集高能量密度、高理論比容量、低成本及環(huán)境友好于一身的鋰硫電池便是備選項之一。但鋰硫電池頗受詬病的“穿梭效應(yīng)”一直讓其沒有走出實驗室，應(yīng)用到新能源汽車領(lǐng)域。

資料顯示，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池，其理論比能量高達(dá)2600Wh／kg，遠(yuǎn)高于目前商業(yè)化的鋰離子電池。近年來，鋰硫電池因具有高能量密度、髙理論容量、單質(zhì)硫資源豐富、價格低廉以及單質(zhì)硫無污染等特點，成為高能新型電池的主要研究方向之一。但鋰硫電池在實際應(yīng)用中，易溶于電解液的多硫化物（中間產(chǎn)物）形成“穿梭效應(yīng)”，會直接導(dǎo)致電池循環(huán)壽命變差。因此，如何抑制多硫化物的穿梭在鋰硫電池正極研究中至關(guān)重要。

電池中國網(wǎng)從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校錢逸泰院士團(tuán)隊和王功名教授課題組通過實驗和理論結(jié)合的方式，研究了金屬鈷基化合物在鋰硫化學(xué)中的動力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)鈷基化合物中陰離子的價電子的p能帶中心相對費米能級的位置，是影響鋰硫電池界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)的主要因素。該研究成果日前發(fā)表在國際頂級能源材料期刊《焦耳》雜志上。

科研人員通過對轉(zhuǎn)化動力學(xué)性能的研究，發(fā)現(xiàn)制備的金屬鈷基化合物表現(xiàn)出完全不同的電化學(xué)動力學(xué)行為。DFT模擬結(jié)果以及同時電荷差分密度分析表明，通過嘗試關(guān)聯(lián)不同鈷基化合物的陰離子價帶的p能帶中心位置與多硫化合物電化學(xué)轉(zhuǎn)化的動力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)改變陰離子價電子的p能帶中心相對費米能級的位置，能夠有效調(diào)控界面電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動力學(xué)，從而成為影響Li－S化學(xué)動力學(xué)性能的主要因素。這一成果將為Li－S電池應(yīng)用研發(fā)起到指導(dǎo)作用。

無獨有偶，近日電池中國網(wǎng)從中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉，該所研究員張俊平團(tuán)隊首次設(shè)計了一種黏土礦物（鋰皂石）超親電解液鋰電池隔膜。鋰皂石含有豐富的O活性位點和Li＋，還具有獨特的片層結(jié)構(gòu)和較大比表面。鋰皂石首次被應(yīng)用到鋰硫電池中，用于抑制聚硫化物穿梭，并提高隔膜的Li＋電導(dǎo)率。研究表明，該黏土礦物超親電解液隔膜對聚硫化物穿梭具有明顯的抑制作用，同時具有較高的Li＋電導(dǎo)率、快速的Li＋轉(zhuǎn)移、超親電解液性和較高的熱穩(wěn)定性。將其應(yīng)用于鋰硫電池時，在循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和抑制自放電等方面均表現(xiàn)優(yōu)異。此外，該隔膜具有較好的普適性，可通過簡單的涂覆法制備，在LiFePO4和鋰硫電池中均表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

據(jù)電池中國網(wǎng)了解，日前，中南大學(xué)賴延清教授團(tuán)隊的“高比能鋰硫電池技術(shù)”成果已經(jīng)以高達(dá)1．4億元總經(jīng)費轉(zhuǎn)讓給中南新能源投資（深圳）有限公司，由該公司負(fù)責(zé)相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化實施。據(jù)悉，賴延清教授作為該項目負(fù)責(zé)人，還申報獲批了2018年度國家重點研發(fā)計劃項目，預(yù)計項目實施3年內(nèi)，將在國際上率先實現(xiàn)高比能（當(dāng)前電池的2倍以上）鋰硫電池的工程化制造與裝車應(yīng)用示范。

如此高昂的成果轉(zhuǎn)讓費用在國內(nèi)高校中極為少見，但這也恰恰反映了當(dāng)前我國新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)界對破解新能源汽車?yán)m(xù)航里程“瓶頸”，盡快實現(xiàn)新材料和新技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的迫切需求。

除了科研院所在鋰硫電池技術(shù)研發(fā)上已經(jīng)投入了很多精力，目前國內(nèi)像猛獅科技、桑頓新能源和國軒高科等部分動力電池企業(yè)也在鋰硫電池技術(shù)研發(fā)上形成了一定的技術(shù)儲備。電池中國網(wǎng)認(rèn)為，隨著鋰硫電池重要技術(shù)相繼獲得突破，以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動，鋰硫電池商業(yè)化進(jìn)程有望加速，率先布局相關(guān)技術(shù)的公司有望搶占市場先機(jī)。

作者閆志剛