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液体锂硫和锂硒电池采用固体电解质 能量密度高达500Wh/kg

据外媒报道,郑州大学、清华大学和斯坦福大学的研究人员,联手开发液体锂硫和锂硒电池系统(简称SELL-S和SELL-Se)。这两种电池采用固体电解质,能量密度有望超过500wh /kg和1000 wh /l,具备低的能量成本和良好的电化学循环稳定性,有望应用于规模化储能等领域。

这些电池采用Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)陶瓷管作为电解质,将正负极之间完全隔离开,电池运行在240度的环境。工作温度高于锂的熔点,可有效抑制多硫化物或多硒化物穿梭效应,限制锂枝晶生长,从而提升能量密度,加快充放电能力,并提高库仑效率及能效,进一步保持稳定性。

目前最先进锂离子电池的能量密度小于300wh/kg和750 Wh/L。硫和硒被视为取代锂离子电池中商业金属氧化物正极的重要侯选材料。因为这些材料具有高容量,锂化为Li2S时为1670 mAh/g,锂化为Li2Se时为675 mAh/g。从理论上来看,能提供高能量密度,锂硫电池为2600Wh/kg和2800 Wh/L,锂硒电池为1160 Wh /kg和2530 Wh/L。而且,材料成本相对较低,锂硒电池为41美元/kWh,锂硫电池为15美元/kWh。

自从硫和硒被用作电池电极以来,对锂硫和锂硒电池的研究备受关注。以前的研究主要集中于具有固态锂金属负极、固态硫或硒正极(呈粉末状或采用不同的S/C或Se/C复合材料)和液态有机电解质的电池上。然而,由于使用的是固体锂金属和液体有机电解液,上述电池结构存在一定问题:(1)循环不稳定,库仑效率低,因为在液态有机电解液中,短链Li2Sx或Li2Sex溶解,会引起穿梭效应;(2)液体有机电解液非常易燃,容易引起安全问题;(3)锂负极出现枝晶生长,并与电解液发生副反应。郑州大学金教授等人表示:“在充放电过程中,固体硫和硒的体积变化较大,引起活性硫和硒与集流器分离,导致循环不稳定,并降低硫和硒的利用率。这些问题严重阻碍了锂硫和锂硒电池的发展。”

SELL-S和 SELL-Se电池中含有液态锂金属负极、带炭黑的熔融S或Se正极、LLZTO陶瓷管电解质。锂金属负极位于LLZTO管中,其中插入一根不锈钢棒,作为负极集流器。在LLZTO管外的不锈钢圆柱形容器中,插入带有炭黑导电添加剂的S(Se)正极(质量比S或Se:C= 9:1),通过LLZTO管与锂负极进行物理和电子分离。同时,不锈钢圆筒作为正极集流器工作。熔融S和Se所需的导电碳只占总电极重量的10%,所以,固定负载最小。

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