基于双电解液的锂硫电池的机理研究与性能优化

Lithium–sulfur (Li–S) batteries have attracted increasing attention as next-generation energy storage devices for electric vehicles. However, Li–S batteries suffer from insufficient capacity retention, limited charge–discharge Coulombic efficiency and severe self-discharge, resulting from the migration and diffusion of soluble polysulfide intermediates (Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8). This work aims to develop a new type of high performance Li–S battery with a dual-phase electrolyte. Using a Li+ selective ceramic membrane, parasitic reactions associated with the migration and diffusion of polysulfides is eliminated. The introduction of a liquid electrolyte between the ceramic membrane and the positive/negative electrode can reduce the solid-solid interfacial resistance, as well as can provide buffer space accommodating volume expansion of electrodes. The electrochemical reaction process will be studied via in-situ and ex-situ techniques. To improve the electrochemical performance, the effect to change the cell components will be investigated. To discard the potential danger of metallic lithium, a Li-ion sulfur battery system with a Li2S cathode and a lithium-free anode will be developed. Moreover, to increase the capacity of the battery, a Li–S redox flow battery system will also be examined. This approach shows the way forward to practical use of Li–S batteries.

锂硫电池已成为未来动力电池最具吸引力的体系之一，但可溶的中间产物多硫化锂（Li2Sx, 4 ≤ x ≤ 8）的迁移和扩散所导致的电池循环稳定性差、库伦效率低及自放电率高是限制其发展的关键问题。本课题拟开发新型高性能双液锂硫电池，利用可选择性快速传导锂离子的固体电解质膜来消除聚硫阴离子向负极的迁移和扩散。通过在电解质膜和正负电极之间分别引入液态电解液来降低固体界面之间的电阻，并为电极在电化学反应过程中的体积变化提供缓冲空间。在此基础上，结合原位与非原位测试技术研究电池的电化学反应机理；掌握电池的各个组成部分的参数变化对电池性能的影响，通过优化组分来提高电池性能。为消除使用金属锂的潜在的安全隐患，深入研究以Li2S为正极、以无锂电极材料为负极的基于双电解液的锂离子硫电池。并将进一步发展一类氧化还原锂硫液流电池体系，以满足大规模储能的需要，从而为锂硫电池的发展奠定理论和实践基础。

硫储备丰富、环境友好、理论比容量高达1675 mAh g‒1，锂硫电池是下一代高能量密度锂二次电池开发的热点。但是硫电极充放电过程中所产生的可溶的中间产物多硫化锂（Li2Sx，2 < x ≤ 8）在正负极之间往返迁移和扩散，并与活泼的金属锂发生剧烈的化学寄生反应，造成电池性能的恶化。而Li2Sx的生成也有积极的一面，即促进电化学反应的进行，抑制其溶解往往以牺牲电池的能量及功率密度为代价。因此，本项目利用硫组分易溶于目前常用的有机电解液的特性，设计并发展了一类双液锂硫电池，为锂硫电池的实际应用提供了有益的理论基础与实践借鉴：（1）以高浓度的Li2Sx取代单质硫（S8）作为正极活性物质，得到了具有高能量密度的双液锂硫电池；（2）以可溶解的溴为水系正极电解液活性物质、硫为负极有机系电解液活性物质，设计了一种新型的混合型溴硫双液电池，消除了使用锂金属的安全隐患；（3）揭示了电解液添加剂对锂金属负极表界面性质的影响，揭示了单纯依靠电解液中添加剂LiNO3的作用不能有效的降低锂硫电池的自放电；（4）开发了基于聚偏氟乙烯的聚合物固体电解质膜，测试了其在锂硫电池中的应用；（5）研究了碳纤维复合锂金属负极对锂枝晶生长的控制作用等工作。