鋰硫電池能量密度再突破,中美已打造重量輕、大容量電池

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 28 日 14:45 | 分類 材料、設備 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly

近期美國與中國科學家攜手合作,為鋰硫電池研發全新陰極,重量能量密度與體積能量密度已分別達到每公斤 360Wh 與每公升 581Wh,雙雙超越目前的鋰離子電池與鋰硫電池,大幅提高鋰硫電池發展腳步。




鋰硫電池理論重量能量密度是鋰電池的 3-5 倍,高達每公斤 2,700Wh,且還具有電池重量輕、原材料豐富等優勢,假如科學家研發有成,這樣一來人們就不用戰戰兢兢時刻注意手機電池電量了。

一般來說鋰硫電池陰極主要成分為硫,而添入硫的方法則有嵌入法(intercalation)與轉換法(conversion),前者多採用鋰鈷氧化物等化合物來提高體積能量密度,電極可以在結構與尺寸不變的情形下,將鋰原子與晶體結構相結合;而轉換法則是使用可改變結構的硫,其甚至可溶解在電解質中,基本上具有高重量能量密度、低體積能量密度特性。

兩種不同的方法各有優勢,卻無法同時並行,這讓讓科學家陷入兩難:體積能量越高,代表電池容量越高;重量能量密度越大,電池重量越輕,而現在由美國麻省理工學院與中國科學院等機構組成的團隊已找到魚與熊掌兼得的辦法。

美中聯合團隊把純粹的硫和謝夫爾相(Chevrel phase)硫化鉬顆粒結合並壓縮,打造全新混合陰極,且該製程也同時改善硫導電性不高的問題,這讓電極可以用較少的碳塗層來提高導電性,碳比例可從原先的 20-30% 降至 10% 左右。

目前該團隊也已開發出容量達 1,000 mAh 的三層袋狀電池,重量能量密度與體積能量密度已分別達到每公斤 360Wh 與每公升 581Wh,而當今鋰離子電池能量密度約為每公斤 265Wh 與每公升 700Wh,鋰硫電池則兩種都是 400Wh。

顯然新型鋰硫電池重量密度已超過鋰離子電池,體積能量密度紀錄也高於其他的鋰硫電池,展望未來,團隊也相信能透過最佳化實驗與設計,將能量密度提高到每公斤 400Wh 與每公升 700Wh,打造重量輕、電池容量又大的新一代鋰硫電池。

只不過新型電池也存有鋰硫電池的通病:壽命不長,傳統鋰硫電池會因為鋰電極易生成晶枝、反應副產物多硫化物阻礙鋰離子移動等問題,致使充放電次數降低,對此麻省理工材料科學工程師 Ju Li 表示,新電池壽命不高的原因並非因為陰極設計導致,是整體電池設計造成的,未來也會進續改良以解決相關問題。

(首圖為硫化鉬結構,來源:麻省理工