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崔屹/周光敏,最新Nature Energy!

崔屹/周光敏,最新Nature Energy!
第一作者:周光敏,Hao Chen
通訊作者:崔屹
通訊單位:斯坦福大學
DOI:10.1038/s41560-022-01001-0
主要內容

研究表明,鋰硫(Li-S)電池由于其高理論能量密度和低成本而成為最有前途的電池系統之一。盡管在其發展方面取得了令人矚目的進展,但仍然缺乏對影響Li-S電池能量密度的關鍵性能參數的全面分析。盡管之前的研究討論關鍵設計參數(如硫載量和正極重量比)對于實現高能量密度Li-S電池的重要性,但尚未對這些參數如何影響能量密度做徹底的定量分析,特別是缺乏關于所有電池組件對全電池能量密度影響的綜合分析。

在此,斯坦福大學崔屹教授聯合清華大學深圳國際研究生院周光敏副教授通過考慮設計實用化Li-S電池技術的所有關鍵參數,分析了電池循環過程中能量損失的潛在原因,確定了兩個關鍵描述符(Rweight和Renergy)分別代表全電池能量密度的質量和能量級折衷。同時,提出了基于硫載量、硫質量比、電解液/硫比和正/負極材料比等關鍵參數的能量密度計算公式,總結了實現高能量密度Li-S電池的關鍵參數。此外,對當前Ah級Li-S電池的研究進展也進行了總結和分析。最后,提出了設計實用化的高性能Li-S電池的未來研究方向、目標和前景。相關論文以“Formulating energy density for designing practical lithium-sulfur batteries”為題發表在Nature Energy
圖文詳情
鋰離子電池(LIBs)是為便攜式電子產品和電動汽車供電的主要儲能技術。然而,它們目前的能量密度和成本無法滿足不斷增長的市場需求。探索傳統LIBs 系統之外的新電池系統是至關重要的。表1比較了幾種常用可充電電池系統的重量能量密度、相應的行駛距離和成本。由于硫(S)正極的多電子氧化還原反應,Li-S電池具有2567 Wh kg-1的高理論比能量和≥600 Wh kg-1的全電池能量密度。
但大多數報道的研究都是在低硫負載、過量電解液和不受控制的鋰負極條件下使用扣式電池進行測試的。大量的非活性材料大大抵消了高能優勢,從而限制了它們的實用性。為了實現高能量密度的Li-S電池,所有這些關鍵參數都需要仔細考慮。

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表1.不同電池中關鍵參數的對比
區分活性材料和非活性材料,為了反映真實電池的質量分布,本文引入了一個描述符(Rweight)來描述S和活性Li的總質量百分比。除了與非活性質量相關的問題(質量水平折衷)外,還研究了由于不完全反應和電壓極化引起的能量損失(能量水平折衷)。其中,電化學反應中由S的反應程度決定的容量(Csulfur)可以通過與其的理論容量相比來直接反映。另一方面,在循環過程中不可避免地會出現各種形式的電壓極化,如歐姆、濃度和激活,這降低了平均輸出電壓并導致輸出能量成比例的損失。為了量化這種能級折衷,引入了另一個參數作為活性材料的能量利用率(Renergy),結合了不完全電化學反應和極化誘導的損失。基于以下相互關系(方程1-4),最終電池能量密度與Rweight和Renergy的關系如圖1e所示。
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圖1. 能量密度公式和關鍵參數的影響
可以提出推薦的電池參數來設計高能量密度的鋰硫電池,如圖2c-e所示,建議使用4 mg cm-2硫載量、≤2.7 μl mg-1 E/S比和≤7 N/P比和硫的比容量(Csulfur)?≥1300 mAh g-1以實現電池級能量密度300 Wh k-1的電池。為了制造更高能量密度的Li-S軟包電池(500 Wh kg-1),推薦參數包括正極中硫的面積載量(msl)≥ 10 mg cm-2,電解液與硫的比率(RE/S)?≤ 2.4 μl mg-1,鋰負極和硫正極面積容量比(RN/P)≤ 2.4 和Csulfur?≥1300 mAh g-1。值得注意的是,當方程(1)到(3)中列出的幾個參數超過推薦參數時,所有這些推薦參數都可以動態調整,以達到電池中所需的能量密度。
因此,本文提出了“四高”(“4H”)和“四低”(“4L”)標準來構建高能量密度(例如400至500 Wh kg-1)和長循環壽命Li-S電池。4H是Csulfur>1200 mAh g-1、msl>8 mg cm-2、正極中硫的重量比(Rcathode)>70 wt%和CE>99.9%,4L表示孔隙率< 60%,RN/P?<3,RE/S<3 μl mg-1和最小的非活性材料。

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圖2.?具有關鍵設計參數的Ah 級Li-S軟包電池設計

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表2. 實現400-500 Wh kg-1 Li-S電池的研究目標、狀態和解決方案

Zhou, G., Chen, H. & Cui, Y. Formulating energy density for designing practical lithium-sulfur batteries. Nat Energy 7, 312-319 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01001-0

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