《鋰鈉合金-硫高能密度二次電池基礎研究》是依託上海交通大學，由楊軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：鋰鈉合金-硫高能密度二次電池基礎研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊軍
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鑒於比現有鋰離子電池有顯著更高的比能量，鋰-硫二次電池已經成為研究熱點和重要的發展方向。針對鋰-硫二次電池存在的鋰枝晶生長和循環壽命短的瓶頸問題，申請人提出以鋰鈉合金代替金屬鋰作為電池負極，由鋰離子和鈉離子共同參與負極和正極反應。本項目將從調節合金組成、優選電解質體系和調控電流模式等多方面著手，改善合金沉積層形貌結構和電化學可逆性。同時，在已有的硫-聚丙烯腈裂解產物作為正極材料的研究基礎上，進一步構思將納米硫化鋰（鈉）等與硫和聚丙烯腈原位裂解複合，發展具有三維離子電子混合導電網路結構的高性能硫基複合正極材料，提高電極的比容量、可循環性和大電流放電能力。通過對正負極本體微結構和表界面結構的調控以及對雙活性離子電池反應進行系統性研究，構建低成本、高安全和高能量密度的二次電池新體系。
結題摘要
鋰硫二次電池比鋰離子電池具有更高的比能量，但考慮到鋰的相對稀缺性，如果能用資源豐富的鈉部分代替鋰，將可顯著降低電池成本。該項目系統地研究了以金屬鋰和鋰鈉合金為負極，聚丙烯腈裂解的硫基複合材料為正極的二次電池體系，重點考察了電解質體系的組成與配比對金屬鋰和鋰鈉合金電沉積形貌和沉積-溶出循環效率的影響，以及對硫基正極電化學性能的影響。提出的新型LiFSI+LiTFSI雙鹽電解質體系使金屬鋰負極的循環效率提高到99%，並且在54 C/cm2高電量和10mA/cm2大電流條件下循環也能防止鋰枝晶形成。開發的LiFSI/DME+DX電解液使電化學穩定視窗拓展到4.8V。從提高全電池性能的角度出發，設計了新型LiODFB/EC+DMC+FEC電解質體系，不僅較好地解決了負極問題，還能改善硫基正極的界面性質。相應的鋰硫電池在1C倍率下循環1000次的容量保持率大於90%，在60度也能穩定工作。而且，該電池具有極低的自放電和高功率優勢，在10C的大電流下，正極比容量達到1100mAh/g。此外，還對電解液阻燃添加劑和聚合物複合電解質進行了研究。 該項目也重點考察了鋰鈉共沉積與溶出的電化學可逆性以及Li+-Na+混合離子溶液中硫基正極的電化學特性。鋰與鈉之間形成的是固熔體結構, 研究結果表明，在銅基底上控制共沉積電量，而全部溶出的循環條件下，鋰鈉合金的沉積-溶出效率大都低於60%，且波動嚴重，與金屬鋰相比有很大差距。另一方面，採用與硫基正極相容好的碳酸酯溶劑，從磺醯亞胺鹽電解液中電沉積獲得的鋰鈉合金層沒有枝晶問題，而從高氯酸鹽溶液中析出的合金層有明顯的枝晶。 研究發現，鈉硫電池的放電電壓要低於鋰硫電池約0.4V，且平台特性差;開始數次循環後鈉硫電池的比容量衰減加快，且倍率性能也較差。當電解液含鋰鈉混合離子，且負極為鋰鈉合金時，典型的放電曲線在1.9V和1.6V左右呈現兩個平台，但在2.2V附近只有一個充電平台。硫正極比容量和電位在等摩爾鋰鈉離子溶液中要比在鋰離子溶液中有明顯的下降，且循環容量衰減快。隨著Na+/Li+摩爾比的提高，充放電的電壓極化加重，電池性能甚至不如單一的鈉硫電池。
