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日本开发出使用硼氢化锂的全固体锂硫电池
更新日期:2014-09-15  

        【日经BP社报道】日本东北大学(Tohoku University)原子分子材料科学高等研究机构(AIMR)的讲师宇根本笃及教授折茂慎一的研究小组,通过与日本大学金属材料研究所和三菱气体化学公司的共同研究,成功开发出了使用硫(S)正极和金属锂(Li)负极的全固体Li-S电池(图1)。这是利用该研究小组自主开发的将络合氢化物硼氢化锂(LiBH4)用作固体电解质的技术而实现的。相关研究成果发表在《应用物理快报》(Appl. Phys. Lett., 2014, 105, 083901, DOI: 10.1063/1.4893666)。

1:新开发的全固体Li-S电池(为了便于看清电池的构成,特意将金属Li负极的一部分剥离)

电池的蓄电性能由电极材料的组合来决定。与原来的电池使用的电极相比,S正极和Li负极均拥有10倍以上的理论容量,有可能大幅提高蓄电性能。不过,配备有机电解液的电池采用S正极时,容易出现伴随放电、S正极溶解到有机电解液溶解中的情况,因此在反复充放电后,蓄电性能会显著降低。为了解决这一问题,全球开始研究可替换有机电解液的固体电解质。但能够配备到电池中的固体电解质只有很少一部分。

AIMR的研究小组着眼于络合氢化物作为电池用固体电解质的功能性,开发出了基于络合氢化物的新型固体电解质。络合氢化物LiBH4120下显示出了高达2×10-3 S/cm的锂离子传导率。通过此次研究,该研究小组成功把LiBH4配备到了电池中。经证实,开发出的全固体Li-S电池反复充放电45次后,蓄电性能也未显著降低,S正极的单位重量能量密度达到1410 Wh·kg-1以上,与以前使用的正极材料相比,能够以23倍以上的高能量密度稳定工作。

络合氢化物固体电解质用于电池时,与其他无机固体电解质相比有很多优点。首先是能够在构成元素方面选择较轻的元素,因此可实现轻量化;其次,可在大电压范围内实现稳定性,因此能够使用多种电极。络合氢化物容易像蜡那样变形,因此能够利用极简单的方法来制造,只需在室温下单轴加压即可。不过,由于硫是绝缘体,因此要想促进作为电池的反应,还必须使硫和作为导体的碳(C)及电解质之间形成良好的界面。

研究人员使用机械研磨法使CS组合,获得了两者以纳米级相互高分散的复合粒子(C-S复合粒子)。由于络合氢化物LiBH4容易变形,因此只需向C-S复合粒子与LiBH4粒子的混合物加压,即可高密度形成能够促进电池反应的、稳定的电极/电解质界面,从而制造出具有该界面的正极层(图2)。

2C-S复合粒子/LiBH4正极层截面的场发射扫描电子显微镜图像(a)S的分布(b)C的分布(c)。可以看出,在C-S复合粒子的内部,CS呈相互高分散状态。而且,C-S复合粒子与LiBH4紧贴在一起,形成了良好的接触界面。

此次试制了以这种C-S复合粒子为正极、以金属Li为负极的全固体离子电池,并对其特性进行了测评。结果证实,S正极的单位重量能量密度达到1410 Wh·kg-1以上,在120的工作温度下能够稳定完成至少45次的反复充放电(图3)。(记者:浜田 基彦)

3:全固体Li-S电池的充放电曲线。经证实,S正极的单位重量能量密度在反复20次充放电后保持在1590Wh·kg-1(比容量为820 mAhg-1),在反复45次充放电后仍保持在1410 Wh·kg-1(比容量为730 mAhg-1),可实现稳定工作。

(来源:日经技术在线http://china.nikkeibp.com.cn/news/elec/71876-201408271410.html

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