高電容量鋰硫電池材料發展現況(下)

刊登日期:2016/1/5
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4. 硫化鋰正極材料
硫化鋰( Li2S )是硫在鋰硫電池中的最終反應產物,擁有 1,166 mAh/g 之理論電容量,硫化鋰作為正極材料的優點是不須以鋰金屬當作負極,可以改用矽、錫或金屬氧化物等非鋰金屬負極材料,提高電池製作的便利性與安全性。Fu等人將 Li2S放置於奈米碳管膜之間,製備成三明治結構電極(圖十),在 0.5C電流密度下的首次放電容量為 752 mAh/g,循環 100次後仍有 690 mAh/g的容量,容量保持率為 82%,每圈之電容量損失僅為 0.18%。
 
然而,Li2S在使用上仍然面臨許多挑戰,例如低電子和離子傳導性、對水分和氧氣敏感,以及有限的合成途徑,因此製程必須全程處於無氧無水環境中進行,添增額外的製備困難度。
 
鋰硫電池正極材料的製備須充分考慮單質硫導電性能差,中間產物硫化物在有機電解液中的穿梭效應及硫電極在充放電過程中體積變化等因素。目前,將硫與導電性能良好、結構穩定且具有吸附能力的多功能性載體進行複合,是解決上述問題一種簡單、有效的方法。載體的材質包括多孔碳材料、碳奈米材料、導電高分子及金屬氧化物等,已被廣泛應用於鋰硫電池領域,而且未來研究將更加致力於建構具有三維結構之電極,充分發揮電極結構中不同成分材料的特性,以解決硫電極的關鍵問題。另外,為實現未來鋰硫電池的商業化,在追求高性能的同時須儘量簡化正極材料的製備方法並使用低廉的材料,以降低製程難度與生產成本。
 
負極材料介紹
鋰硫電池雖然可以共用一般鋰離子二次電池的負極材料,然而為了滿足硫活性物的高電容量特性,搭配對等電容量的負極材料是最有效率的方式,其中以鋰金屬、矽等高容量的負極材料為理想的選擇。以下將針對負極的特性以及相關技術進行介紹。

1. 鋰負極
鋰金屬的電容量分別是 3,840 mAh/g、11,400 Wh/Kg及8,088 Wh/L 的性能,為目前所知的負極材料中,少數可與硫正極搭配的材料,由於鋰金屬具備最低的標準電位以及高的電容量,可獲得優異的能量密度。眾所周知鋰金屬具有活潑的反應性,容易與電解液中,成分發生反應而形成不穩定的鈍化層,尤其與溶於電解液中的硫化物反應發生穿梭效應,導致因活性物的損耗而造成電容量衰減;另外,充放電反應過程中,容易因不均勻的鋰金屬沉積而形成鋰枝晶( Li Dendrite ),刺穿隔離膜導致短路而發生安全上的顧慮。因此,如何避免鋰金屬和電解液發生反應,以及抑制鋰枝晶的發生,是鋰金屬負極材料研究的重點。

(1)高分子保護層
以高分子材料作為隔絕鋰金屬與電解液的保護層,Ployplus 在這方面的技術最成熟並且已商品化。Polyplus 在專利中揭露以 Polyethylene Oxide( PEO )作為鋰金屬表面的塗層,PEO 本身可扮演高分子電解質的角色傳導鋰離子,一方面將電解液隔離。 Polyplus將保護後的鋰金屬負極稱為 PLE( Protected Lithium Electrode ),並成功將PLE應用於鋰-空氣電池( Lithium-Air Battery )、鋰-海水電池( Lithium-Water Battery )以及鋰硫電池當中(圖十一) 。
 

圖十一、PolyPlus核心技術與應用
 
2. 合金負極
為了避免硫化物直接與鋰金屬反應而發生穿梭效應,可以非鋰金屬且高理論電容量之材料取代,例如具有 4,212 mAh/g 理論電容量的矽、具 993 mAh/g 的錫或是具 3,495 mAh/g 的 Li/B 合金。這些材料雖然具備高的理論電容量,但其缺點是---以上為部分節錄資料,完整內容請點選 more 瀏覽。
 


圖十五、以Li2S對負極進行內部預鋰化之電池結構示意圖


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」349期,更多資料請見下方附檔。

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