张华民：锂硫电池高性能电解液材料研究获进展

 

业内普遍将锂硫电池作为化学储能的未来发展方向，然而一直以来，锂硫电池面临多硫化锂“飞梭效应”和金属锂“界面不稳定”的关键挑战。科研人员往往使用硝酸锂添加剂来解决上述问题，但是硝酸锂、炭黑、单质硫共存的电池体系存在安全隐患。

 

不过，现在这一局面有望大幅改观。中科院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员张华民、李先锋和副研究员张洪章团队，设计、制备出一款不含硝酸锂的高性能电解液，实现了在锂硫电池器件中的应用，这给锂硫电池电解液材料的设计制备带来了新思路。

 

那么这款高性能电解液有哪些技术上的突破、锂硫电池的优势以及前景如何，围绕这些问题，记者专访了张华民。

 

 

高性能电解液问世

 

中国能源报：您所在的团队设计、制备出这款电解质溶液，其性能优势有哪些？

 

张华民：首先，自制电解液的安全性好。此前锂硫电池用的电解液含有大量的硝酸锂，其与碳硫复合物混合时，成分与“黑火药”类似，因此存在很大的燃爆隐患。我们团队研制的电解液不含硝酸锂，安全性更加优异。

 

其次，自制电解液的稳定性好。研发的电解液可以使锂硫电池连续稳定循环30次以上，按照一天充放电一次的使用模式，该电池可以确保无人飞机长达1个月的不间断飞行。这一性能属于目前公开报道的最好性能。

 

再次，自制电解液的容量发挥好。研发的电解液采用二氧戊环（DOL）作为溶剂，首次实现了较高的容量发挥，使锂硫电池在0.2C的快速充放电过程中依然达到350Wh/kg的能量密度。

 

中国能源报：取得电解液材料研究进展，前后用时多久？

 

张华民：电解液是决定锂硫电池性能的关键材料之一，是锂硫电池技术发展的瓶颈技术。自2013年10月，团队开始将电解液作为主要突破点，致力于开发出安全性好、使用寿命长的锂硫电池。到2016年8月，团队在电解液领域取得初步进展，研制出一类不含硝酸锂的高性能电解液，并在大容量（4—60Ah）锂硫电池中获得成功应用，研发历时2年零10个月。

 

技术攻关锂硫电池挑战

 

中国能源报：团队在电池技术方向上，专攻哪些技术方向？

 

张华民：目前，大连化物所储能技术研究部在电池领域的研究主要侧重三个方向：一是大规模、固定式电池储能技术,包括全钒液流电池、锌溴液流电池、锌镍液流电池及铅碳电池；二是高比能、动力电池技术，如锂硫电池。研究重点是开发电池关键材料，例如电解液、碳硫复合物、隔膜等。三是可在环境温度零下40℃—零上50℃运行的全天候，高能量密度、高放电倍率电池。

 

中国能源报：在锂硫电池领域，团队都做了哪些努力和突破？

 

张华民：研究团队以锂硫电池器件的产业化为目标，对限制锂硫电池发展的关键材料（正极、负极、隔膜、电解液）及关键技术（电极涂覆、电池装配、电池化成等）开展了细致的研究，并取得相应的突破。

 

例如，在正极材料方面，开发出比表面积2300m2/g, 孔容为8cm3/g的高性能多孔碳材料，并通过自创的“相转化”成型工艺，制成具有独特“三连续”结构的锂硫电池电极；在隔膜材料方面，开发出具有纳米级离子传输孔道的离子选择透过隔膜；在电池器件方面，制成30Ah以上级锂硫一次电池，能量密度达到900Wh/kg以上。

 

中国能源报：锂硫电池目前在技术上还面临哪些瓶颈，下一步团队将在哪方面继续努力？

 

张华民：锂硫电池目前还存在很多技术挑战。我们团队将在三个方面继续努力：继续提高锂硫电池的循环使用寿命；继续提高锂硫电池的安全性；开发出能量密度超过1200Wh/kg的锂硫一次电池。

 

锂硫未来发展空间大

 

中国能源报：在业内看来，目前锂硫电池具有较高的能量密度和低廉的成本，是储能领域的重要研究方向，能具体谈谈吗？

 

张华民：首先看锂硫电池的能量密度。在已知的电池负极材料中，金属锂的电位最负、比容量较大。在已知的正极材料中，单质硫的电位适中、比容量也较大。锂硫电池是将金属锂和单质硫组成电池，其理论比能量可以达到2600Wh/kg，是目前商品化锂离子电池理论比能量的3—5倍。做成电芯产品后，锂硫电池的实际能量密度依然可以达到300—900Wh/kg的较高水平，而商品化锂离子动力电池的能量密度仅为100—200Wh/kg。即使将锂离子电池的负极换成金属锂，其能量密度依然大幅低于锂硫电池。因此，锂硫电池具有很大的技术吸引力，是当前储能领域的重要研究方向。

 

其次，关于锂硫电池的成本。材料成本低廉是锂硫电池的固有优势。根据现有产业化的电芯组成和工艺条件，可以估算不同电池电芯原材料成本价格。

 

对锂硫电池来说，正极材料主要为碳硫复合物，成本非常低，成本主要来自于金属锂和电解液。锂硫电池的电解液用量占电芯质量的30%—50%，是锂离子电池的2—3倍。随着电池正负极性能的提高，锂硫电池所需电解液的用量将大幅下降，成本会进一步降低。根据我们实验室6Ah软包装锂硫电池估算，电芯成本约为0.21元/Wh，与以金属锂为负极、以富锂锰材料为正极的金属锂离子电池相近，但是比目前商业化锂离子电池的成本低得多。

 

然而，用户在选择电池的过程中，考虑的不仅是其瓦时成本，还需要考虑其循环寿命。目前为止，美国Sion Power 公司（锂硫电池领军企业）开发的400Wh/kg的、以金属锂为负极的锂离子电池在160次循环的能量剩余为50%，这与以石墨为负极的锂离子电池数千次的循环寿命相差甚远。如果计算单次循环成本，锂硫电池的成本优势并不明显。因此，从使用成本的角度考虑，锂硫电池的循环寿命仍需要进一步提高。

 

中国能源报：目前锂硫电池还处于实验室阶段，在您看来，锂硫电池什么时候能实现量产，未来发展空间如何？

 

张华民：锂硫电池涉及很多技术问题，如循环寿命短、金属锂稳定性差、电解液易燃等。随着这些问题不断得到解决，锂硫电池的应用领域也将不断得到扩展。

 

目前，锂硫一次电池的比能量已经达到900Wh/kg，可以在一些领域获得应用。然而，锂硫二次电池的循环寿命还很短，还不到锂离子电池的1/10，尚需要经历相当长的发展历程。

 

从实用角度讲，锂硫电池有可能首先在对比能量要求较高的无人机等领域获得应用，并逐步向电动车领域扩展。该电池的发展空间很大，但技术挑战与发展机遇并存。