木质素纤维充当钢筋造电池 提供锂硫电池寿命

2018-12-17 09:37:09来源:青岛晚报

原标题:木质素纤维充当 钢筋造电池

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不少消费者对电动汽车持观望的态度主要原因是现阶段商用锂离子电池能量密度较低,造成电动汽车巡航里程 “不给力”,这成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈之一。在市场需求推动下,更高容量的锂硫电池 “脱颖而出”。然而,由于锂硫电池容易自我 “耗电”,让锂硫电池使用时间不长。近日,青能所研究人员从木材中找到灵感,利用木质素纤维搭建了电池新结构,为解决这一难题提供了新思路。

锂硫电池寿命短

锂硫电池,顾名思义,即以单质硫作正极,金属锂作负极的一种新型电池,由于其理论容量为锂离子电池的五倍之多,并且硫原材料来源丰富、价格低廉、低毒无害,使得国内外对锂硫电池的开发产生了浓厚的兴趣,锂硫电池被认为是最具潜力的下一代高能量电池体系之一。有利就有弊,锂硫电池也逃不了这个规律。由于在充放电过程中,锂硫电池产生的聚硫化物能溶解于电解液中,随电解液“游”到负极,与负极发生反应(即所谓的“穿梭效应”)。

这一现象使得锂硫电池在充放电过程中,外部放电,内部也跟着“耗电”,导致锂硫电池的寿命远不及锂离子电池。为此科学家们尝试用各种方式把正极产物固定在正极内部,以减少穿梭效应的发生。

建筑“钢筋混凝土”电池

木质素,一种世界上第二丰富的天然有机物,广泛存在于植物的木质部(负责给植物上端运输水和矿物质的组织)中,木质素纤维就是通过对天然的木材经过一系列的物理化学处理,得到的一种含有木质素的有机纤维。木质素纤维具有优异的化学稳定性,无毒、无害、无污染,属于纯绿色环保的产品,可用于各种材料中充当稳定抗裂剂。

受此启发,中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组的研究人员,将木质素纤维充当锂硫电池正极材料的骨架,并与碳纳米管、石墨烯共同组建了一种类似“钢筋混凝土”结构的锂硫正极材料,该正极材料有较强的柔韧性可以随意折叠弯曲。由于木质素分子内部含有大量的羟基,能够有效地与锂硫电池正极中间产物中的Li+产生类似氢键的锂键相互作用,正是这种相互作用,使木质素纤维能够很好地捕获游离在电解液中的硫化物,让它老老实实地待在正极。因此,木质素纤维充当“钢筋”,既能稳固正极片结构,同时又能有效地吸附正极反应产生的硫化物。

非常适合大规模推广

为了使电子能够更加快速地传输到锂硫电池的正极,研究人员在该柔性极片底部增加一层石墨烯薄膜,从而实现锂硫电池的快速充放电的目的。

基于以上思路,该研究组制备出高性能锂硫电池,其放电容量可接近锂硫电池的理论容量,远高于相关报道的容量;同时该电池表现出优异的循环稳定性,500圈后容量保持率高达86.5%。即使在9.2mg cm-2高载硫量下(更高的载硫代表更高的能量密度),该柔性极片通过双层叠加的方式,使得锂硫电池依旧保持优异的循环稳定性。该方法具有简单、易操作,制作成本低等诸多优势,非常适合大规模推广。该工作对提高锂硫电池硫利用率和循环寿命提供了一种新的思路。

青岛晚报/掌上青岛/青网 记者 王伟

 

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