Литий-серная первичная батарея со сверхвысокой плотностью энергии: на основе цветной капусты

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14949 (2015) Цитировать эту статью

10 тысяч доступов

84 цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой работе были разработаны литий-серные первичные батареи, о которых редко сообщалось в предыдущей литературе. Чтобы максимизировать практическую плотность энергии, был разработан новый иерархический пористый C/S-катод, похожий на цветную капусту, для облегчения транспорта ионов лития и размещения серы. Этот тип катода мог выдавать емкость около 1300 мАч г-1 (С) при загрузке серы 6 ~ 14 мг см-2 и показал отличную стабильность при хранении в течение месячного испытания при комнатной температуре. В результате собранная батарея Li-S в мягком корпусе достигла плотности энергии 504 Втч кг-1 (654 Втч л-1), что, насколько нам известно, было самым высоким значением, когда-либо сообщавшимся. Эта работа может вызвать интерес к разработке первичных Li-S аккумуляторов с большим потенциалом практического применения.

Усилия по разработке первичных батарей с высокой плотностью энергии и низкой стоимостью никогда не прекращались с момента изобретения вольтовых батарей в 18 веке1,2. Многие из значительных достижений были достигнуты в период 1970–90-х годов, чему способствовало одновременное развитие электронных технологий, новый спрос на портативные источники энергии и поддержка космических, военных и программ по улучшению окружающей среды. Особенно в последние годы было разработано большое количество батарей с высокой плотностью энергии, таких как системы Zn-O2, Mg-O2, Al-O2, Na-O2 и Li-O23, которые благоприятны в кислородной среде. Кроме того, батареи в изолированных условиях, такие как разрабатываемые в настоящее время системы Li-SO2, Li-SOCl2, Li-MnO2 и Li-CFx, также были разработаны для таких применений, как океан, открытый космос и т. д.

Как показано в Таблице 13,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, эти разрабатываемые первичные батареи уже достигли высокой практической удельной емкости, отличных характеристик при низких температурах или высокой плотности мощности. Однако все еще существуют некоторые характерные проблемы, такие как неудовлетворительная безопасность, гистерезис напряжения, значительная электрохимическая поляризация или относительно высокая стоимость материала. Кроме того, рост плотности энергии первичных батарей за последнее десятилетие замедлился, поскольку существующие аккумуляторные системы стали более зрелыми, а разработка новых аккумуляторов более высокой энергии ограничена отсутствием новых и/или неиспытанных материалов и химических составов аккумуляторов. Поэтому разработка новых первичных батарей с высокой плотностью энергии по-прежнему остается желательной, но сложной задачей.

В настоящее время Li-S аккумуляторы привлекли большое внимание во всем мире14,15,16,17,18,19. Эта аккумуляторная система обладает чрезвычайно низкой стоимостью, чрезвычайно высокой удельной плотностью энергии (2600 Вт·ч кг-1) и экологичностью, что делает ее одной из самых перспективных из когда-либо разработанных20,21,22,23,24,25,26,27. 28,29,30,31. Однако Li-S-батарею обычно рассматривают как вторичную, а ее большой потенциал в качестве первичной в некоторой степени игнорируется. На самом деле, циклическая стабильность Li-S аккумуляторов пока неудовлетворительна по сравнению с коммерческими литий-ионными батареями, но их начальная удельная разрядная емкость очень высока, даже достигая теоретического значения32,33, что делает их пригодными для первичного применения. Во-вторых, при разработке первичных аккумуляторов для вторичных Li-S аккумуляторов можно накопить больше теоретического и практического опыта. Между тем, перезаряжаемая природа системы Li-S может сделать ее более конкурентоспособной, чем первичные батареи, о которых сообщалось ранее34. В настоящее время наиболее сложной задачей при разработке первичной Li-S батареи является дальнейшее увеличение ее практической плотности энергии для конкуренции с другими коммерческими аккумуляторными системами.

Для достижения этой цели, согласно практическому назначению аккумуляторов, весьма существенна разработка серных катодов с высоким содержанием серы и высокой загрузкой серы («два высоких»35). Однако увеличение использования серы (или активного материала) является сложной задачей из-за повышенного омического сопротивления или поляризации с переносом заряда37. Учитывая это, пористая структура всех катодов (кроме только материалов C/S) должна быть дополнительно оптимизирована для улучшения транспортировки ионов лития, распределения серы и статуса аккомодации26,38,39,40. Однако из-за изолирующей природы частиц серы в катоды приходится добавлять большое количество материалов, проводящих электронику (например, углерода)23. Поэтому, хотя большие усилия были предприняты для разработки высокоэффективной композиции C/S, о «двухвысотных» катодах все еще сообщалось редко. Хотя катоды на основе графеновых губок-S36 и бумаги CNT-S41 могут обеспечить загрузку серы до 10 и 6 мг см-2 по отдельности, все еще необходимы дальнейшие технические инновации для сборки их в намоточные или ламинирующие типы на основе коммерческих соображений.