【市场】生物质新功能——用木质素纤维充当锂硫电池正极材料的“钢筋”

2018-12-22 06:39:21 / 打印

来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所

中科院之声

半岛都市报

木头也可以用来做电池?相信大家也都是第一次听说。

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,但其也有致命缺陷。

锂硫电池在充放电过程中,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“穿梭效应”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。

近年来,新能源汽车行业发展迅猛,对电池的要求也越来越高。但现阶段商用的锂离子电池能量密度较低、“升级版”的锂硫电池容易自我“耗电”,这些都制约着电动汽车和便携式电子产品等的续航能力,目前已成为行业“瓶颈”。在这种情况下,如何制备高性能电池成为行业研究的重点。

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。

造电池和造房子一样,结构稳定很重要。什么材料可以稳定“结构”呢?

从中科院青岛生物能源与过程研究所了解到,该所先进储能材料与技术研究组团队瞄准下一代高能锂离子电池及其配套电解液和黏结剂的研究,从木头中找到灵感,用可再生木质素纤维打造“钢筋混凝土”般的电池,目前已成功制备出高性能锂硫电池。

木质素是植物体中主要成分,是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子,存在于木质组织中。在木本植物中,木质素占25%,是世界上第二位最丰富的有机物,人们相对更熟悉的纤维素则是第一位。

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,如图1所示。

(“类钢筋混凝土”柔性载硫体极片制备示意图)

由于木质素分子内部含有大量的羟基(-OH),能够有效的与锂硫电池正极中间产物中的Li+产生类似氢键(-HO…H)的锂键相互作用(-HO…Li)。正是这种相互作用,使木质素纤维能够很好的捕获游离在电解液中的硫化物,让它老老实实的待在正极。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。

此外,为了使电子能够更加快速的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9.2 mg 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。

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