鉅大LARGE | 點擊量：623次 | 2021年11月29日
張華民：鋰硫電池高性能電解液材料研究獲進展
鋰硫電池高性能電解液材料研究獲進展——專訪中科院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民業內普遍將鋰硫電池作為化學儲能的未來發展方向，然而一直以來，鋰硫電池面對多硫化鋰“飛梭效應”和金屬鋰“界面不穩定”的關鍵挑戰。科研人員往往使用硝酸鋰添加劑來解決上述問題，但是硝酸鋰、炭黑、單質硫共存的電池體系存在安全隱患。
不過，現在這一局面有望大幅改觀。中科院大連化學物理研究所儲能技術研究部研究員張華民、李先鋒和副研究員張洪章團隊，設計、制備出一款不含硝酸鋰的高性能電解液，實現了在鋰硫電池器件中的應用，這給鋰硫電池電解液材料的設計制備帶來了新思路。
那么這款高性能電解液有什么技術上的突破、鋰硫電池的優勢以及前景如何，圍繞這些問題，記者專訪了張華民。
高性能電解液問世
我國能源報：您所在的團隊設計、制備出這款電解質溶液，其性能優勢有什么？
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
張華民：首先，自制電解液的安全性好。此前鋰硫電池用的電解液含有大量的硝酸鋰，其與碳硫復合物混合時，成分與“黑火藥”類似，因此存在很大的燃爆隱患。我們團隊研制的電解液不含硝酸鋰，安全性更加優異。
其次，自制電解液的穩定性好。研發的電解液可以使鋰硫電池持續穩定循環30次以上，按照一天充放電一次的使用模式，該電池可以確保無人飛機長達1個月的不間斷飛行。這一性能屬于目前公開報道的最好性能。
再次，自制電解液的容量發揮好。研發的電解液采用二氧戊環（DOL）作為溶劑，首次實現了較高的容量發揮，使鋰硫電池在0.2C的快速充放電過程中依然達到350Wh/kg的能量密度。
我國能源報：取得電解液材料研究進展，前后用時多長時間？
張華民：電解液是決定鋰硫電池性能的關鍵材料之一，是鋰硫電池技術發展的瓶頸技術。自2013年十月，團隊開始將電解液作為重要突破點，致力于開發出安全性好、使用壽命長的鋰硫電池。到2016年八月，團隊在電解液領域取得初步進展，研制出一類不含硝酸鋰的高性能電解液，并在大容量（4—60Ah）鋰硫電池中獲得成功應用，研發歷時2年零10個月。
技術攻關鋰硫電池挑戰
我國能源報：團隊在電池技術方向上，專攻什么技術方向？
張華民：目前，大連化物所儲能技術研究部在電池領域的研究重要側重三個方向：一是大規模、固定式電池儲能技術,包括全釩液流電池、鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池及鉛碳電池；二是高比能、動力鋰離子電池技術，如鋰硫電池。研究重點是開發電池關鍵材料，例如電解液、碳硫復合物、隔膜等。三是可在環境溫度零下40℃—零上50℃運行的全天候，高能量密度、高放電倍率電池。
我國能源報：在鋰硫電池領域，團隊都做了什么努力和突破？
張華民：研究團隊以鋰硫電池器件的產業化為目標，對限制鋰硫電池發展的關鍵材料（正極、負極、隔膜、電解液）及關鍵技術（電極涂覆、電池裝配、電池化成等）開展了細致的研究，并取得相應的突破。
例如，在正極材料方面，開發出比表面積2300m2/g,孔容為8cm3/g的高性能多孔碳材料，并通過自創的“相轉化”成型工藝，制成具有獨特“三持續”結構的鋰硫電池電極；在隔膜材料方面，開發出具有納米級離子傳輸孔道的離子選擇透過隔膜；在電池器件方面，制成30Ah以上級鋰硫一次電池，能量密度達到900Wh/kg以上。
我國能源報：鋰硫電池目前在技術上還面對什么瓶頸，下一步團隊將在哪方面繼續努力？
張華民：鋰硫電池目前還存在很多技術挑戰。我們團隊將在三個方面繼續努力：繼續提高鋰硫電池的循環使用壽命；繼續提高鋰硫電池的安全性；開發出能量密度超過1200Wh/kg的鋰硫一次電池。
鋰硫未來發展空間大
我國能源報：在業內看來，目前鋰硫電池具有較高的能量密度和低廉的成本，是儲能領域的重要研究方向，能具體談談嗎？
張華民：首先看鋰硫電池的能量密度。在已知的電池負極材料中，金屬鋰的電位最負、比容量較大。在已知的正極材料中，單質硫的電位適中、比容量也較大。鋰硫電池是將金屬鋰和單質硫組成電池，其理論比能量可以達到2600Wh/kg，是目前商品化鋰離子電池理論比能量的3—5倍。做成電芯產品后，鋰硫電池的實際能量密度依然可以達到300—900Wh/kg的較高水平，而商品化鋰離子動力鋰離子電池的能量密度僅為100—200Wh/kg。即使將鋰離子電池的負極換成金屬鋰，其能量密度依然大幅低于鋰硫電池。因此，鋰硫電池具有很大的技術吸引力，是當前儲能領域的重要研究方向。
其次，有關鋰硫電池的成本。材料成本低廉是鋰硫電池的固有優勢。根據現有產業化的電芯組成和工藝條件，可以估算不同電池電芯原材料成本價格。
對鋰硫電池來說，正極材料重要為碳硫復合物，成本非常低，成本重要來自于金屬鋰和電解液。鋰硫電池的電解液用量占電芯質量的30%—50%，是鋰離子電池的2—3倍。隨著電池正負極性能的提高，鋰硫電池所需電解液的用量將大幅下降，成本會進一步降低。根據我們實驗室6Ah軟包裝鋰硫電池估算，電芯成本約為0.21元/Wh，與以金屬鋰為負極、以富鋰錳材料為正極的金屬鋰離子電池相近，但是比目前商業化鋰離子電池的成本低得多。
然而，用戶在選擇電池的過程中，考慮的不僅是其瓦時成本，還要考慮其循環壽命。目前為止，美國SionPower公司（鋰硫電池領軍公司）開發的400Wh/kg的、以金屬鋰為負極的鋰離子電池在160次循環的能量剩余為50%，這與以石墨為負極的鋰離子電池數千次的循環壽命相差甚遠。假如計算單次循環成本，鋰硫電池的成本優勢并不明顯。因此，從使用成本的角度考慮，鋰硫電池的循環壽命仍要進一步提高。
我國能源報：目前鋰硫電池還處于實驗室階段，在您看來，鋰硫電池什么時候能實現量產，未來發展空間如何？
張華民：鋰硫電池涉及很多技術問題，如循環壽命短、金屬鋰穩定性差、電解液易燃等。隨著這些問題不斷得到解決，鋰硫電池的應用領域也將不斷得到擴展。
目前，鋰硫一次電池的比能量已經達到900Wh/kg，可以在一些領域獲得應用。然而，鋰硫二次電池的循環壽命還很短，還不到鋰離子電池的1/10，尚要經歷相當長的發展歷程。
從實用角度講，鋰硫電池有可能首先在比較能量要求較高的無人機等領域獲得應用，并逐步向電動汽車領域擴展。該電池的發展空間很大，但技術挑戰與發展機遇并存。
