中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所功能高分子材料研究中心發(fā)展了一種在三維多孔碳(3DPGC)結(jié)構(gòu)中原位制備并負(fù)載硫的新方法,硫在保持納米分散的前提下,負(fù)載量達(dá)到90%,創(chuàng)造了硫的最高負(fù)載量紀(jì)錄,電極初始比容量高達(dá)1382mAhg-1;硫的原位負(fù)載還形成碳硫鍵,經(jīng)過1000次循環(huán)后,平均每次循環(huán)的容量衰減僅為0.039%,達(dá)到了當(dāng)前的最高循環(huán)穩(wěn)定性。

 當(dāng)前,電動汽車發(fā)展面臨著一個問題,那就是由于電池的質(zhì)量能量密度較低,使得電動汽車上的電池又大又重。因此,每一輛電動汽車安裝上去的電池數(shù)量都很有限。比如特斯拉的ModelS的電池組平鋪在汽車地板上,大概長2米、寬1.2米。在頂級配置車型中,如此大體積的動力電池,能提供的行駛里程也只不過大約300英里(482公里),之后就需要插入充電樁進(jìn)行充電。而日產(chǎn)聆風(fēng)充一次電更是只能跑80英里(128公里)左右。除此之外,鋰電池充電過程比起傳統(tǒng)汽車的加油要慢得多。

 因此,科學(xué)家們便希望開發(fā)出一種擁有較高能量密度的新型電池。從目前技術(shù)上來看,理論能量密度最高的兩個體系是鋰硫電池和鋰空氣電池,這兩類電池的質(zhì)量能量密度均超過500Wh/kg,能夠較好地提升電動汽車的行駛里程數(shù)。

 鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負(fù)極的一種鋰電池,是鋰電池的一種。其比容量高達(dá)1675mAh/g,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)上廣泛應(yīng)用的鈷酸鋰電池的容量(<150mAh/g)。同時,硫是一種對環(huán)境友好的元素,對環(huán)境基本沒有污染,是一種非常有前景的鋰電池。但是,硫具有不導(dǎo)電、中間產(chǎn)物聚硫鋰溶于電解質(zhì)、體積膨脹嚴(yán)重等缺點,這些問題使得鋰硫電池的大規(guī)模應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn),包括安全性、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等。

 為了克服這些問題,中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所功能高分子材料研究中心發(fā)展了一種在三維多孔碳(3DPGC)結(jié)構(gòu)中原位制備并負(fù)載硫的新方法,硫在保持納米分散的前提下,負(fù)載量達(dá)到90%,創(chuàng)造了硫的最高負(fù)載量紀(jì)錄,電極初始比容量高達(dá)1382mAhg-1;硫的原位負(fù)載還形成碳硫鍵,顯著提高了電極材料的充放電循環(huán)穩(wěn)定性,經(jīng)過1000次循環(huán)后,平均每次循環(huán)的容量衰減僅為0.039%,達(dá)到了當(dāng)前的最高循環(huán)穩(wěn)定性。因此,這一材料在提高硫的負(fù)載及利用效率的同時,還提高了電極材料3DS@PGC的充放電循環(huán)穩(wěn)定性,為新一代鋰離子電池電極材料的設(shè)計開拓了新思路。該研究工作得到中國科學(xué)院“百人計劃”和國家自然科學(xué)基金的大力支持。

 相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國際期刊《自然.通訊》上(NatureCommunications2016,7,10601)。隨后,國際著名碳材料學(xué)家RodneyRuoff教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授季恒星在《物理化學(xué)學(xué)報》雜志上撰寫亮點文章(ActaPhys.Chim.Sin.2016,32,797),對以上研究成果的創(chuàng)新性進(jìn)行了評價。

 此前,南京工業(yè)大學(xué)和新加坡高校合作,改良鋰硫電池,使得其使用周期可提高至800次,續(xù)航里程至少600公里。

 隨著鋰硫電池重要技術(shù)相繼獲得突破,尤其是海內(nèi)外各大汽車廠商不斷加大對鋰電池投入,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將進(jìn)一步加快。據(jù)估算,未來5年全球鋰電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)每年市場總規(guī)模將達(dá)到3.1萬億元。在國家政策支持下,鋰硫電池前景廣闊。目前,我國已有三家上市公司試水鋰硫電池領(lǐng)域。

 成飛集成(002190):公司曾互動平臺上表示,公司對石墨烯鋰硫電池處于試驗調(diào)研階段。

 西藏城投(600773):子公司陜西國能新材料的產(chǎn)品在超級電容、鋰硫電池等前沿科技領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用經(jīng)營。

 寶泰隆(601011):與清華大學(xué)合作項目包括高比能量鋰硫電池用石墨烯/硫復(fù)合電極材料制備。