崔屹Nat. Commun.：鋰硫電池中非活性硫化物的活化反應

【引言】

現在，可持續發展能源的迫切需要發展和完善大范圍的能量儲存的能力，例如風能和太陽能等等。電化學儲能由于具有無污染，循環效率高，靈活性好等優點，被廣泛研究。鋰硫電池作為電化學儲能的一種，其理論能量密度是2600 Wh Kg^-1, 因此被人們認為是最有希望成為下一代儲能電池之一。然而，該電池還存在著許多的缺陷，例如低電子電導率，多硫化物的沉降，體積效應和自放電等等。另外，還有可溶性含鋰聚硫化物的生成降低了電池的性能。人們設計了一種大尺寸的半液流電池來改善電化學性能，然而在循環工程中由于大量的不可溶硫化的物的生成，導致電池的容量急劇下降。

【成果簡介】

最近，美國斯坦福大學崔屹教授在Nat. commun.上報道了一種采用添加廉價的硫，并且通過攪拌邊加熱的方法來激活這種非活性硫化物，從而達到抑制電池容量損失的目的。單電池的容量可達0.9 Ah, 體積能量密度可達95 Wh/L(3M Li₂S₈), 這個數值大概是全釩流電池的4倍。并且在高濃度的Li₂S₈ (5M)體積能量密度可達135 Wh/L。該研究首次將活性材料的負載量提高到了0.125 g/cm³ (約有2g S在單個電池中)，并且取得了優異的性能。

【圖文導讀】

圖1：方法示意圖

（a）在加熱攪拌過程中，非活性硫和硫顆粒的反應示意圖；

（b）鋰片在反應前后的對比圖；

（c）鋰片活化前后的對比圖；

（d）LPS流電池系統示意圖。

?圖2：非活性硫化物與硫反應

（a）不同反應時間下，非活性硫與金屬鋰在DOL/DME中發生反應；

（b）鋰片在反應前后的對比圖；

（c）鋰片在反應前后的Raman曲線；

（d）活化后，鋰片在5M LPS電解液下的電化學性能；

（e）活化后，鋰片在5M LPS電解液下的電壓曲線。

圖3：非活性硫化物的表征研究

(a-d) 活化前后，XPS測試曲線；

(e-h) 活化前后，SEM圖片。

圖4：LPS電池的電化學性能研究

(a)電池的循環性能和效率曲線；

(b)橫容量充放曲線，截止電壓為2.06V，容量設置為1000 mAh；

(c)不同電流密度的能量對比圖；

(d)活化前后，EIS對比曲線；

(e)活化前后的電壓曲線圖；

(f)不同濃度下的電壓曲線圖；

(g)不同電池的能量密度對比圖；

【小結】

該文通過一種新的方法來活化非活性的硫化物來提高電池的循環和能量密度，并且這種罐式設計使得電池很容易拆解。并且，硫的活化和鋰的置換很容易在工業上實現，以及同時具有硫成本低的特點。但是電解液中的LITFSI的成本很高，幾乎占了整個電池成本的一半，所以，找到一種廉價的材料來取代LITFSI，可能是未來的發展方向之一。

文獻鏈接：Reactivation of dead sulfide species in lithium polysulfide flow battery for grid scale energy storage (Nat. commun.，2017,doi:10.1038/s41467-017-00537-0)

本文有材料人編輯部材料 楊良滔 編輯，黃超審核，點擊我加入材料人編輯部。

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