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　　我國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)正處在由技術(shù)追趕期向同步發(fā)展期過渡的關(guān)鍵階段，在國家相關(guān)政策支持下，需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)顛覆性的技術(shù)突破和協(xié)同創(chuàng)新。2017年6月21日，由青海省、工信部、科技部、中國電動(dòng)汽車百人會(huì)在青海西寧舉辦的”第十八屆中國·青海綠色發(fā)展投資貿(mào)易洽談會(huì)·鋰產(chǎn)業(yè)國際高峰論壇“迎來了全球近800名嘉賓。

　　6月21日下午舉行的“電池前沿技術(shù)研討會(huì)”分論壇，交流了鋰離子動(dòng)力電池正負(fù)極材料研究與應(yīng)用最新進(jìn)展;高比能量動(dòng)力電池與新材料體系電池技術(shù)研究的前瞻性科研成果;動(dòng)力電池技術(shù)路線;動(dòng)力電池生產(chǎn)工藝、系統(tǒng)集成技術(shù)與能力提高方面的研究;動(dòng)力電池的梯次利用及回收利用技術(shù)。

　　美國賓夕法尼亞洲立大學(xué)機(jī)械工程與化學(xué)工程系終身教授王東海從學(xué)術(shù)的角度暢談了新型的電池技術(shù)，鋰硫電池的研發(fā)和應(yīng)用。現(xiàn)場實(shí)錄如下：

　　作為一個(gè)大學(xué)的教員，我想從學(xué)術(shù)角度談一下新型的電池技術(shù)，我們做鋰電池技術(shù)包括下一代的鋰金屬電池技術(shù)已經(jīng)有七八年了，鋰硫電池是一個(gè)重要的研究方向，我們組主要進(jìn)行了一些材料，包括正極，包括電解液，包括負(fù)極的研究。

　　大家看一下鋰硫電池的反應(yīng)路徑，它潛在有高能量，但是卻是一個(gè)低成本的電池，因?yàn)樗龢O用的硫，硫非常便宜，負(fù)極是金屬，作為青海的材料基地，如何作為下一代電池的附加材料或者是高成本材料，如何合成新型的鋰負(fù)極也是非常好的方向，我估計(jì)未來十年二十年鋰硫電池的技術(shù)應(yīng)用在一些特殊的領(lǐng)域，我相信大家能看到這樣的產(chǎn)品。

　　鋰硫電池是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，硫和鋰的化學(xué)反應(yīng)，并不是嵌入嵌出的過程，能夠轉(zhuǎn)化成化學(xué)能量，轉(zhuǎn)化成電化學(xué)。能量值達(dá)到1600毫安時(shí)每克，一般來說現(xiàn)在能應(yīng)用到1000到1200，也就是說鋰硫電池和鋰離子電池不一樣，它是兩個(gè)離子的轉(zhuǎn)移，這就是它潛在的高能量的原因。

　　但它也有很多問題，本身的問題，也包括一些性能的問題，我這里列出了幾個(gè)問題，硫是一個(gè)絕緣體，它產(chǎn)生中間不同的多硫化物，電池是固體材料，但是多硫化物是可以溶解在里面的材料，這就造成了復(fù)雜性，包括它來回的穿梭。還有最終的產(chǎn)物鋰二硫是不可逆的轉(zhuǎn)化，因?yàn)檫@個(gè)顆粒是化學(xué)轉(zhuǎn)化的反應(yīng)，當(dāng)顆粒比較大的時(shí)候，電化學(xué)的動(dòng)力學(xué)就非常慢，很難用到百分之百的兩個(gè)例子，也就是在1.5個(gè)電子的時(shí)候往往得不到它的能量，這是鋰二硫的不可逆生長。當(dāng)然鋰硫電池也包括鋰，如何高效沉積運(yùn)用鋰金屬最終成為負(fù)極，這也是多年的問題。

　　我們組做鋰硫電池確實(shí)有幾年了，包括正極的開發(fā)，包括電解液和正極的保護(hù)，今天我主要講三個(gè)方面，首先是正極，然后是電解液，最后介紹一下負(fù)極材料。

　　從正極材料角度講，我們最初在研究這個(gè)鋰硫正極的時(shí)候，碳材料是應(yīng)用最廣泛的，但是接觸到鋰硫電池以后，它不能不考慮多硫化物的溶解與穿梭。前面吳教授也說了隔膜對多硫化物的阻擋作用，我們在想運(yùn)用到一個(gè)新型的碳材料除了多孔還有吸附。應(yīng)用了一些功能化的多孔碳材料，通過吸附，這是X光的光譜來檢測硫和氧的光譜，發(fā)現(xiàn)鋰硫電池中碳材料和固體流跟多硫化物有沒有吸附作用，這是化學(xué)光譜譜圖(ppt)，在氧和硫之間有相互作用，同時(shí)硫和氧形成硫酸根的鍵合和傳統(tǒng)的沒有硫酸根的是不一樣的，可以看出它的組份的表面功能團(tuán)的鋪圖分析出來，形成一個(gè)氧硫鍵，可以在氧和硫的圖譜上都能確認(rèn)。

　　最主要的是這個(gè)確認(rèn)也有一些化學(xué)吸附，對多硫化物有一些吸附，如果說比較一下傳統(tǒng)的吸附劑，包括多孔二氧化硅，多孔碳到多孔二氧化二鋁，吸附性非常強(qiáng)，盡管它的孔體積并不那么大，但是在同樣克數(shù)的材料，吸附10倍以上的增長，這就是一個(gè)新型碳材料在里六當(dāng)中的應(yīng)用，大家可以擴(kuò)展到不同的碳功能團(tuán)。

　　運(yùn)用到這個(gè)電池當(dāng)中，往往需要有新的功能性，包括它如何能應(yīng)用在電極制作。我們也運(yùn)用了合成方法，形成像石墨這種材料的形貌的多孔的功能碳球，在10到20微米左右大小，這樣大小的碳球結(jié)核硫就很容易結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)，形成有一定碳硫載量的正極材料，可以用于鋰硫電池。

　　下一步介紹一下電解液，鋰硫電池的電解液是一個(gè)醚類的電解液，傳統(tǒng)的電解液和硫有相互作用，醚類的電解液包括鹽和溶劑。鋰硫電池有一個(gè)性能，通過打斷硫硫鍵來往復(fù)應(yīng)用化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，硫硫鍵往往不是硫硫，往往是很多硫化物或者是含硫硫鍵的化合物也有貢獻(xiàn)能量的作用。如果你看電解液90%是溶劑，我們早期想把溶劑一部分的量來用含硫硫鍵的化合物來替換，也能貢獻(xiàn)它的容量。

　　最近我們有一些研究的進(jìn)展，通過有機(jī)硫硫化合物能夠改變傳統(tǒng)鋰硫電池的路徑。這個(gè)工作我們也是非常激動(dòng)，因?yàn)樗_實(shí)能夠改變反應(yīng)路徑。這是放電的一個(gè)曲線(ppt)，傳統(tǒng)鋰硫電池放電和新型電解液當(dāng)中的放電，這是透明的三電極的電池，能看出在不同階段的放電，我們能看出多硫化合物的產(chǎn)生，以及這個(gè)新型電解液的溶液電解質(zhì)的顏色變化，我們也可以從中取樣做一些在線的NMR或者是XPS的核磁共振和表面分析。尤其能看出它沒有傳統(tǒng)鋰硫電池多硫化合物的產(chǎn)生，這個(gè)主要原因是因?yàn)榧尤肓硕谆蛎眩P(guān)鍵這個(gè)化合物和硫有相互作用，所以它改變了傳統(tǒng)鋰硫電池的充放電曲線，傳統(tǒng)的有兩個(gè)電壓曲線，這個(gè)電壓穩(wěn)定在2.0左右，但是它的容量保持率以及容量是非常高的。

　　這個(gè)主要的原因，我們也做了一個(gè)在線的核磁共振的分析，這個(gè)在線核磁共振就是當(dāng)你放電充電的時(shí)候，你能通過取樣來做NMI，因?yàn)槲覀兗尤肓硕准壛蛎岩院笥匈|(zhì)子，通過質(zhì)子的核磁共振來監(jiān)測反應(yīng)的中間產(chǎn)物。我們可以從透明的電池看出來，它沒有傳統(tǒng)的多硫化合物，而是一些其它的硫化物的形式。這個(gè)地方有一個(gè)二甲級三硫，以及最終的產(chǎn)物是甲級硫鋰的產(chǎn)物，通過它的D放電，通過C，可以發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物是二甲級三硫，跟鋰硫電池三硫二鋰很相似，能看出在放電的時(shí)候它不斷減小，充電的時(shí)候不斷增加。在放電中，它會(huì)產(chǎn)生，因?yàn)樗亲罱K的放電產(chǎn)物，在充電的時(shí)候它又消失，最終能被利用。

　　這是我們在改變鋰硫電池的路徑方面做的研究(ppt)，通過添加新型電解液。

　　最終比較一下，在傳統(tǒng)鋰硫電池中，這個(gè)硫在碳表面成為電化學(xué)反應(yīng)，通過鋰離子在導(dǎo)電表面的氧化還原反應(yīng)，激活硫硫鍵，成為多硫化合物，我們加入這個(gè)二甲級硫醚之后，首先產(chǎn)生多硫化合物，最終的反應(yīng)產(chǎn)物是甲級硫鋰跟鋰二硫并存，它有一定的電解性，你可以利用它的產(chǎn)物利用出來1.5到1.8的電子性能。因?yàn)槲覀兯械脑囼?yàn)中電解液都是控制的，能夠取代一定的電解液，所以總體來說會(huì)有一定的提高，這是一個(gè)簡單的總結(jié)，在不同電解液情況下，鋰硫反應(yīng)路徑有什么不同。

　　有些性能的比較，首先它的容量是有很大提高的，另外它的電壓曲線極化有降低，因?yàn)橛袧櫥瑒┑淖饔?。這是利用硫硫鍵在不同形式當(dāng)中，可以結(jié)合無機(jī)的硫和有機(jī)的硫，使這個(gè)充放電更快，極化更小，最終它的容量能提高，同時(shí)我們也可以降低液體和固體硫的比例，能夠讓它的整體電量提高很多。

　　最后一部分，介紹一下負(fù)極材料，鋰硫電池從正極、電解液到負(fù)極，包括隔膜，其實(shí)有一個(gè)綜合匹配的過程，任何用鋰金屬的電池都會(huì)有鋰金屬的問題，我們可以看看在鋰金屬方面，鋰硫電池中也是有一些獨(dú)特的東西。

　　大家知道鋰金屬是沉積溶解，石墨是嵌入，硅是合金反應(yīng)，最終是通過低電量下的鋰的氧化還原反應(yīng)貢獻(xiàn)電量。因?yàn)殇嚨谋砻姹容^活潑，所以往往形成一個(gè)固液界面，鋰金屬在沉積的過程中會(huì)不斷地位移，最終會(huì)有裂縫，這個(gè)裂縫導(dǎo)致整個(gè)電流密度不均勻，鋰質(zhì)金就可能生長。鋰硫電池有一個(gè)好處，有多硫化合物，跟鋰是非常容易反應(yīng)的，所以它會(huì)天然形成一個(gè)膜。這個(gè)膜是多硫化合物產(chǎn)生的一個(gè)無機(jī)的固化膜，也容易破碎。

　　所以我們研發(fā)了一種雜化膜，有有機(jī)的成分，也有無機(jī)的成分，同時(shí)利用鋰硫的化學(xué)，產(chǎn)生一些原位產(chǎn)生的固液界面膜，它不斷地侵蝕產(chǎn)生的裂縫，然后把裂縫再彌補(bǔ)成一個(gè)固液界面膜，這樣不會(huì)有裸露的鋰金屬，這樣鋰金屬就相對穩(wěn)定，可以循環(huán)很多。

　　這是一些結(jié)果比較(ppt)，如果說傳統(tǒng)的鋰金屬沉積不均勻，會(huì)產(chǎn)生一些分散的鋰堆積，也會(huì)有一些鋰的質(zhì)積。多硫化合物會(huì)產(chǎn)生一些表面涂層，來保護(hù)鋰，雜化的電解液和涂層就讓鋰的沉積更均勻，從低分辨到高分辨，從不同的視角都能看出空間是均勻的。

　　再一個(gè)是鋰的形貌也不一樣，這個(gè)形貌通過雜化的電化學(xué)，有活性的高分子涂層鋰的形貌非常的均勻，在多硫化合物當(dāng)中的鋰相比沒有多硫化合物的鋰均勻，但是你能看出它有很多的缺點(diǎn)。沒有任何保護(hù)的鋰就會(huì)非常不均勻，這里就會(huì)產(chǎn)生最終的鋰硫電池的容量損失，運(yùn)用新型的電化學(xué)源膜來保護(hù)鋰的沉積。

　　這個(gè)膜的界面也非常穩(wěn)定，通過幾百次的循環(huán)，它的阻抗也是非常低的。所以現(xiàn)在我們正在應(yīng)用這種膜技術(shù)來結(jié)合我們的鋰硫的正極和電解液來開發(fā)下一代高能量循環(huán)更長的鋰硫電池，我們確實(shí)有一些技術(shù)，有一些數(shù)據(jù)，但是時(shí)間原因我就不在這多說了，這是簡單的鋰沉積與溶解中的電化學(xué)測試，就是在一個(gè)不對稱電池中，鋰沉積在一個(gè)銅片上，看鋰沉積和溶解的效率，應(yīng)該說是屬于中等的，在文獻(xiàn)中是很高的了。它的循環(huán)效率能夠在99%，差不多在300次左右，所以這也算是一個(gè)進(jìn)步，但是總體來說，今天我想給大家分享的是下一代技術(shù)鋰硫電池跟傳統(tǒng)的鋰離子的嵌入嵌出不太一樣，我們需要結(jié)合材料的角度、電化學(xué)的角度來解決它的正極、負(fù)極、電解液以及整個(gè)電池制作工藝。

　　以上就是我的發(fā)言內(nèi)容，謝謝大家!