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3D打印|3D打印获取“长续航”锂硫电池 可推广至其他储能领域


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3D打印|3D打印获取“长续航”锂硫电池 可推广至其他储能领域
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北极星储能网讯:无人机、电动汽车、电动飞机等实现“长续航” ， 一直是人们热切期盼的事 。 然而 ， 由于缺乏具有稳定“储能”与“供电”能力的电源系统 ， 这一期待总是会落空 。
值得欣慰的是 ， 最近传来了好消息——利用3D打印技术或可助力解决“长续航”面临的瓶颈问题 。
日前 ， 苏州大学能源学院教授孙靖宇与中国科学院院士、北京大学教授刘忠范团队构建出3D打印硫正极 ， 并获得了具有高倍率性能和高面容量的锂硫电池 。 相关技术还可推广到其他新兴的储能设备 ， 为发展新型、高效、规模化的电极构筑方法提供重要借鉴 。
相关研究成果近日发表在国际能源领域高水平期刊《纳米能源》杂志上 。
锂硫电池中的“穿梭效应”
随着人类社会的发展 ， 人们对储能系统也提出了更高的要求 。
锂硫电池因具有较高的理论能量密度、较低的电极材料成本 ， 以及正极材料硫环境友好、资源丰富等优点 ， 被认为是下一代最具发展前景的储能体系之一 。
“锂硫电池在无人机、电动汽车及军用便携式电源领域有着巨大的产业应用前景 。 ”论文共同通讯作者孙靖宇告诉《中国科学报》 。 但遗憾的是 ， 由于硫及其放电产物导电率低、多硫化物穿梭以及反应动力学缓慢 ， 导致硫的利用率低、循环稳定性和倍率性能差 。
近年来 ， 为了提高活性材料硫的利用率、改善锂硫电池的电化学性能 ， 科研人员进行了大量探索性研究 ， 努力寻找适合的硫宿主材料、黏合剂以及电解质 。
虽然这些领域目前都取得了许多研究进展和成果 ， 但大部分锂硫电池体系仍存在硫负载量低、面容量低、电解液使用过量等问题 ， 远远不能满足实际应用和商业化要求 。
已有相关研究表明 ， 导致现行锂硫电池能量密度不足、电池循环寿命短的重要因素之一就是多硫化物的“穿梭效应” 。
中国科学院大连化学与物理研究所研究员陈剑告诉《中国科学报》 ， 所谓“穿梭效应” ， 即在锂硫电池的放电过程 ， 硫的电化学还原是两电子、多步骤的反应 ， 反应生成多硫化物（Li2Sx）中间产物 ， 可溶解于醚类电解液 。 若扩散至负极 ， 则与锂反应生成不溶性的硫化锂 ， 锂被腐蚀 ， 消耗活性物质 ， 造成容量的不可逆损失 ， 降低电池的循环寿命 。
“抑制‘穿梭效应’是锂硫电池研究的关键之一 ， 最核心的就是如何使其反应中生成的长链多硫化物束缚在硫正极侧 ， 或从根本上抑制多硫化物的产生 。 这在原理上是可行的 ， 但还需要深入探索 。 ”陈剑说 。
3D打印技术“加持”
3D打印技术自诞生以来 ， 已经应用到医疗、军工、航天、汽车、电子等各个领域 。 此外 ， 其在锂离子电池、锂氧电池、锌离子电池等储能体系中也得到了初步应用 。
刘忠范和孙靖宇团队长期关注并开展烯碳能源材料及应用技术研究 。 近年来 ， 他们从3D打印技术中找到了新的突破思路和启示 。
孙靖宇介绍 ， 3D打印技术具有诸多优势 ， 如有助于构建具有多级孔结构的自支撑无集流体电极 ， 并利于离子和电子的快速传输 。 3D打印技术通过控制打印层数实现控制电极材料负载量 ， 突破了常规涂覆法制备电极的厚度限制 ， 从而可获得具有高单位面容量的电池系统 。 在实际应用方面 ， 可满足定制化和规模化储能器件的构筑需求 。
“然而 ， 面向能量存储应用领域的3D打印技术目前仍存在许多关键瓶颈 ， 比如电极的打印精度对设备配置提出更高的要求、打印墨汁的制备工艺亟待系统探索 ， 以及缺乏规模化印刷装备等 。 ”孙靖宇说 。
研究人员借助3D打印技术 ， 方便、高效、便捷地构筑了高负载硫正极 。 该架构具有经过优化的离子/电子传输通道和充足的孔隙率 ， 有利于对多硫化物进行高效管理 。


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