中国科学院理化技术研究所功能高分子材料研究中心发展了一种在三维多孔碳(3DPGC)结构中原位制备并负载硫的新方法,硫在保持纳米分散的前提下,负载量达到90%,创造了硫的最高负载量纪录,电极初始比容量高达1382mAhg-1;硫的原位负载还形成碳硫键,经过1000次循环后,平均每次循环的容量衰减仅为0.039%,达到了当前的最高循环稳定性。
当前,电动汽车发展面临着一个问题,那就是由于电池的质量能量密度较低,使得电动汽车上的电池又大又重。因此,每一辆电动汽车安装上去的电池数量都很有限。比如特斯拉的ModelS的电池组平铺在汽车地板上,大概长2米、宽1.2米。在顶级配置车型中,如此大体积的动力电池,能提供的行驶里程也只不过大约300英里(482公里),之后就需要插入充电桩进行充电。而日产聆风充一次电更是只能跑80英里(128公里)左右。除此之外,锂电池充电过程比起传统汽车的加油要慢得多。
因此,科学家们便希望开发出一种拥有较高能量密度的新型电池。从目前技术上来看,理论能量密度最高的两个体系是锂硫电池和锂空气电池,这两类电池的质量能量密度均超过500Wh/kg,能够较好地提升电动汽车的行驶里程数。
锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池,是锂电池的一种。其比容量高达1675mAh/g,远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。同时,硫是一种对环境友好的元素,对环境基本没有污染,是一种非常有前景的锂电池。但是,硫具有不导电、中间产物聚硫锂溶于电解质、体积膨胀严重等缺点,这些问题使得锂硫电池的大规模应用面临诸多挑战,包括安全性、倍率性能和循环稳定性等。
为了克服这些问题,中国科学院理化技术研究所功能高分子材料研究中心发展了一种在三维多孔碳(3DPGC)结构中原位制备并负载硫的新方法,硫在保持纳米分散的前提下,负载量达到90%,创造了硫的最高负载量纪录,电极初始比容量高达1382mAhg-1;硫的原位负载还形成碳硫键,显著提高了电极材料的充放电循环稳定性,经过1000次循环后,平均每次循环的容量衰减仅为0.039%,达到了当前的最高循环稳定性。因此,这一材料在提高硫的负载及利用效率的同时,还提高了电极材料3DS@PGC的充放电循环稳定性,为新一代锂离子电池电极材料的设计开拓了新思路。该研究工作得到中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金的大力支持。
相关研究结果发表在国际期刊《自然.通讯》上(NatureCommunications2016,7,10601)。随后,国际著名碳材料学家RodneyRuoff教授和中国科学技术大学教授季恒星在《物理化学学报》杂志上撰写亮点文章(ActaPhys.Chim.Sin.2016,32,797),对以上研究成果的创新性进行了评价。
此前,南京工业大学和新加坡高校合作,改良锂硫电池,使得其使用周期可提高至800次,续航里程至少600公里。
随着锂硫电池重要技术相继获得突破,尤其是海内外各大汽车厂商不断加大对锂电池投入,其产业化进程将进一步加快。据估算,未来5年全球锂电池及相关产业每年市场总规模将达到3.1万亿元。在国家政策支持下,锂硫电池前景广阔。目前,我国已有三家上市公司试水锂硫电池领域。
成飞集成(002190):公司曾互动平台上表示,公司对石墨烯锂硫电池处于试验调研阶段。
西藏城投(600773):子公司陕西国能新材料的产品在超级电容、锂硫电池等前沿科技领域进行应用经营。
宝泰隆(601011):与清华大学合作项目包括高比能量锂硫电池用石墨烯/硫复合电极材料制备。
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