鋰硫電池發展現況

刊登日期:2017/3/1
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吳笙卉/工研院材化所

前言
2016年德國的應用科學研究機構─ Fraunhofer-Institut IWS 於德國德勒斯登(Dresden, Germany)舉辦第五屆鋰硫電池研討會(5th Workshop "Lithium-Sulfur-Batteries")。全球投入鋰硫電池研究領域的主要學術業界,包括 Linda Nazar/University of Waterloo、Quiang Zhang/Tsinghua University 及 Oxis Energy LTD、Samsung R&D Institute、Helmholtz-Institut、Lilium GmbH、BMW Group 等皆受邀參與此會議,共同關注鋰硫電池發展現況。

鋰硫電池發展趨勢
由於硫的電容量高(1675 mAh/g)且成本低廉,因此具備未來發展高能量後鋰電池的潛力,許多傳統鋰離子電池的研究學者因為受限於電池能量密度無法提升,漸漸投入鋰硫電池的研究,但普遍都會遇到類似的瓶頸,包括硫本身的絕緣性質,導致硫的含量無法提升;多硫化物易溶於溶劑之中導致穿梭效應(Shuttle Effect),電容量的維持率下降;再者,高能量密度的高度需求下使用鋰金屬作為負極,但卻延伸出負極鋰金屬穩定性與安全性的問題,例如鋰金屬在反應過程中長出枝晶(Dendrite),安全性受到挑戰;以及鋰金屬低庫倫效率的問題造成循環壽命減少。為此,各界提出各種解決鋰硫電池的策略,不論是從正極材料、負極材料、電解質、添加劑等,試圖改善電池的電化學表現及穩定性。

鋰硫電池研討會主辦單位 Fraunhofer IWS 開放讓所有參加者參觀其實驗室,Fraunhofer IWS 擁有相當完備的鋰電池製程設備,包括自動化的電池堆疊機、雷射切割電極片技術、電極的塗布機及混漿技術,並開發鋰硫電池專屬的製程,但在本次會議尚未公開。

2016德勒斯登鋰硫電池研討會重點精摘
1. Prof. Linda Nazar/ University of Waterloo, Canada
Nazar 團隊利用氮化石墨烯(g-C3N4)對多硫化物的吸附能力作為硫正極的修飾(圖二),不但提升導電性也抑制多硫化物擴散,或是金屬氧化物添加劑,如氧化鈦(Ti4O)、二氧化錳(MnO2),並透過透明電池觀察添加劑對多硫化物吸附能力的影響(圖三)。
 

圖二、g-C3N4 改質提升多硫化物吸附能力
圖二、g-C3N4 改質提升多硫化物吸附能力

 
圖三、金屬氧化物對多硫化鋰的化學反應性
圖三、金屬氧化物對多硫化鋰的化學反應性

又利用g-C3N4 的2D結構可有效提升多硫化物的吸收,且降低電解液/硫的比例(~3.5µl/mg),硫含量甚至可以高達 14.9 mg/cm2,相較於擁有較多孔洞的3D框架更能提升硫含量及降低電解液消耗,有效改善體積能量密度(圖二)。

在全固態電池方面,如何利用非溶劑的電解質讓硫正極在固相反應成了關鍵問題,Nazar 提出略溶電解質(Sparingly Soluble Electrolyte),且需以極性金屬載體(Polar Metallic Host)解決硫化鋰(Li2S)沉澱問題(圖四)。

2. Prof. Dr. Qiang Zhang/ Tsinghua University, Beijing (China)
Prof. Qiang Zhang 團隊探討在鋰硫電池中,鋰金屬表面形成固態電解質介面(Solid Electrolyte Interphase; SEI)的成分,比較電解液中多硫化物/硝酸鋰/ LiTFSI 組成的影響。其研究結果指出---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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