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张强丨低维材料与锂硫电池

已有 1088 次阅读 2020-6-17 17:01 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 低维材料与锂硫电池, 张强, 黄佳琦, 科学出版社, 化学

人类发展的历程中,能源扮演着举足轻重的作用。现今,急剧变化的能源形势和绿色环保的环境意识正驱使着传统化石能源向清洁可再生新型能源逐步转型。在实现新型能源的利用中,能源储存对提高能源的利用效率和应用能力等方面都发挥着关键作用。新型储能系统是当前人类面对全球挑战的有效解决途径。自从其在20世纪90年代锂离子电池的商业化应用以来,储能系统助力人们的交流和交通方式的变革,带来了便携式摄像机、手机、笔记本电脑、电动汽车等当代社会必需品。锂硫电池体系凭借着基础材料的丰沛储量和极高的理论能量密度,在储能体系的角逐中尽显优势,是目前最为接近实用化、最具前景的下一代电池体系之一(图1)。


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图1 不同储能体系的理论质量能量密度及其功率密度

 

然而,商用化锂硫电池的实现并非一片坦途,锂金属负极的界面问题和正极活性物质硫多电子转移过程的复杂性(例如多硫化物的“穿梭效应”)阻碍了实际应用的脚步(图2)。锂金属负极在电池过程中发生着巨大的体积变化,引起电池内部剧烈的压力变化;锂金属的化学活泼性导致电极/电解质之间自发形成固体电解质界面膜(SEI),虽然可以阻止进一步的电极/电解质反应,但其化学、电化学、力学性质及时空分布的不均匀性,引发SEI不断破裂和再生,消耗大量活性物质同时影响电池长周期循环;锂金属负极表面形貌和电流分布的不均匀性,诱发锂离子不均匀的分布与沉积,形成针状、苔藓状、树枝状等不规则枝晶状沉积,进一步诱使“死锂”生成和隔膜刺穿等问题,影响电池寿命甚至导致安全性事故发生。同时,正极活性物质在充放电过程中存在着固—液—固相态的转变,其中形成的可溶性多硫化物能够溶解于电解液中扩散至负极引发副反应发生;而在固—固转变中,由于单质硫和放电产物Li₂S本征电子导率和离子导率较低,放电过程中Li₂S在正极表面的形成和生长阻碍了硫的进一步锂化,大幅缩减了电池性能。


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图2 锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”


面对这些难题,研究人员采取了诸多对策加以应对,低维材料的引入和复合在其中起到了关键性的作用(图3)。研究者们基于对锂硫电池电化学过程的理解,在应对硫正极带来的问题上,采用零维、一维和二维碳材料用于构建导电网络,增强正极动力学,并通过使用低维材料来增强吸附和催化转化等方式阻挡多硫化物向正极之外的迁移。针对负极锂枝晶的生长问题,研究者们在两个维度上进行设计,采用骨架结构建立起纵向上锂离子均匀沉积的通道,以及界面调控等方法在界面处稳定锂离子流,引导锂离子的沉脱行为,抑制锂枝晶的产生。


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图3 低维材料在锂硫电池设计中的应用


锂硫电池的巨大潜力吸引着各界的目光,有望实现更高性能和安全性,接替锂离子电池体系成为下一次储能体系的主导技术路线。但同时,影响锂硫电池开发的瓶颈性问题也不容忽视。因而,对锂硫电池的研究进展和发展方向进行全方位、系统性的总结,对加深产学研界的认识、推动锂硫电池长效发展具有重要意义和必要性。《低维材料与锂硫电池》一书正是在此背景下推出。该书结合了作者团队近十年深耕研究锂硫电池领域所取得的理解,以及国内外最新的研究进展与成果,以材料开发的角度作为抓手,由浅入深地从基础原理、材料设计、表征技术和理论计算等多维度探讨低维材料在锂硫电池发挥的作用,结合锂硫电池实用化器件和新构型锂硫电池对锂硫电池应用领域做出展望。


希望本书能够丰富读者对锂硫电池认识,启发读者对其中关键科学问题的探索和思考,引起从事锂硫电池研究和产业界同行的共鸣和深入探讨,对推进锂硫电池发展略尽绵力。


作者简介


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低维材料与锂硫电池

(低维材料与器件丛书/成会明 总主编)

张强,黄佳琦

责任编辑:翁靖一,孙曼

北京:科学出版社,2020.5

ISBN:978-7-03-064787-0


《低维材料与锂硫电池》为“低维材料与器件丛书”之一。本书基于作者多年的科研工作,并结合国内外的最新研究进展比较系统地介绍了锂硫电池基础原理、材料设计、表征技术和理论计算等多维度探讨低维材料在锂硫电池发挥的作用,结合锂硫电池实用化器件和新构型锂硫电池对锂硫电池应用领域做出展望。全书共分11章,涵盖了目前国内外有关锂硫电池的最新研究成果。


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