高電容量鋰硫電池材料發展現況(上)

刊登日期:2015/12/5
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隨著科技的進步,對於能源的需求與日俱增,無論是 3C 消費性電子產品、電動交通工具,亦或是大型儲電系統,對於儲電元件能力的要求越來越高。二次電池的種類繁多,其中鋰電池具有最高的工作電壓及能量密度,因此應用最為廣泛,當中又以鋰硫電池具備高的電容量、低廉的價格、豐富的蘊藏量以及無環境污染性等優點,令各國產學研界紛紛投入人力與資源進行研發。然而電化學反應過程中,硫活性物的流失以及穿梭效應,使電池的使用壽命仍不如鋰金屬氧化物系統的鋰二次電池;本文將介紹為了改善鋰硫電池的缺點,國際上使用的材料與技術,並進行有系統的整理及分析,提供電池相關研究人員一個全面性的資訊分享,希望能對國內鋰硫電池研究有所助益。
 
前言與技術背景
二次電池實用化至今已超過一世紀,一般熟知的二次電池如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池及鋰離子電池等,隨著應用載具功能不斷的提升,已佔有不可取代的地位,尤其在可攜式消費性電子產品、電動交通工具及大型儲電系統方面的依賴度很高。在二次電池家族中,以鋰二次電池同時具備高的工作電壓以及電容量而擁有最高的能量密度,隨著科技產品的輕、薄、短、小及多功能整合的發展趨勢,對於電池能量與功率上的要求越來越高,然而受限於現行商品化之正負極材料的工作電壓區間及實際電容量,性能提升的空間有限,現行鋰二次電池將不敷使用。
 
正極材料介紹
鋰硫電池有著明顯大於市售二次電池之能量密度,但實際在使用過程中仍存在著正極材料之活性物質利用率偏低、電池循環壽命短等問題。針對鋰硫電池存在的缺點,正極材料的研究大致可以區分為四大方向,分別為 ①硫-碳複合材料;②硫-高分子複合材料;③硫-金屬氧化物複合材料;④硫化鋰( Li2S )正極材料,試圖尋求改善解決這些問題的途徑,接下來將分別介紹。
1. 硫-碳複合材料
使用之碳材料包括碳黑、活性碳、石墨烯、奈米碳管、空心碳奈米球、介孔碳球、碳纖維等具有較高表面積、多孔結構及高導電特性,是硫正極材料理想之載體,這些質輕、導電性佳、結構穩定之碳載體可以有效提高電池之能量密度及循環穩定性。Wang 等人利用化學共沉澱法製備硫/碳黑( Super P )之複合正極材料,經電化學測試,在 0.06C 電流密度下的首次放電電容量達 1,233 mAh/g,且經過 50次充放電後仍保有 800 mAh/g之電容量,硫活性物質之利用率達 73.6%。另外,Fu等人同樣利用化學共沉澱法,使用更高表面積的碳黑,製備硫/碳黑( Pearl 2000 )之複合正極材料,在1C電流密度下的首次放電電容量達 1,100 mAh/g,且經過 50次充放電後仍保有 800 mAh/g之電容量。雖然導電碳黑之良好導電性改善電子傳輸網路,因此提高了電池性能,但在電池之循環穩定仍不理想。Li等人則利用 Super P 碳黑製備近似海綿結構之硫碳複合材料(圖二),如圖二(c)所示,在 0.2C電流密度下,經過 300次充放電後仍保有 520 mAh/g之電容量,每圈之電容量損失為 0.2% ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

圖二、硫/碳黑(Super P)複合材料(a)製備示意圖;(b)電池電容量;(c)SEM圖

圖四、硫/活性碳布複合材料(a)SEM圖與硫元素分析;(b)電池電容量
作者:李俊龍、張志清、林嘉男、方家振/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」348期,更多資料請見下方附檔。

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