高負載和高能量的充電機充電鋰電池解析
2017-8-11 9:34:58??????點擊：
【引言】
充電機充電鋰電池由于具有高比能量、低成本和環(huán)境友好等特點而受到了廣泛關注。然而，在實際應用的道路上，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決，循環(huán)壽命短和硫負載量低是最尖銳的難題。這篇綜述重點回顧了在多尺度層次蓄電池充電機設計原則基礎上獲得高負載量充電機充電鋰電池的進展。特別在界面反應、中尺度的裝配策略、新穎的結構、正極和負極以及隔膜構型的創(chuàng)新上作了重點討論。最終，文中獲得了多尺度層次結構蓄電池充電機設計在高負載量充電機充電鋰電池具有廣闊前景的結論。
來自清華大學的張強副教授（通訊作者）等人近日在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的綜述，總結了充電機充電鋰電池研究領域在高硫負載量、高能量密度方面的進展，重點介紹了正極的基礎電化學反應，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒蓄電池充電機設計和電極結構；負極的金屬鋰和非金屬負極；界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。
圖1. Li–S原理圖及其和LIBs充電機充電蓄電池的性能對比圖
1. 正極
S元素是Li-S充電機充電蓄電池中最常見的正極材料，阻礙它作為電化學活性元素的主要原因是較低的電導率（ 25 °C時為5 × 10?30 S cm?1 ），它會組織S和硫化鋰(Li2S)在室溫條件下的固-固轉(zhuǎn)化。為了解決這種緩慢的動力學反應，通過像聚硫化物等一系列可溶性中間體來充當媒介，在有機電解液中溶解并移動，使得活性材料可以從固態(tài)表面獲得電子，從溶液中獲得離子，以此來實現(xiàn)氧化還原反應。
這一部分介紹了高硫負載量正極材料的蓄電池充電機設計原理和方法，關于硫-聚硫化物-硫化鋰之間的反應，分成三個層次：1）界面工程；2）顆粒蓄電池充電機設計；3）電極結構。
其中，文中對后兩部分進行了著重討論，尤其是在蓄電池充電機設計原理和S的同素異形體，如S2-S4長鏈以及共價結合硫方面，因為它們在高硫負載量上扮演著重要角色。
1.1 界面工程
在Li–S氧化還原反應體系中引入多硫化物，一方面可以有利于聚硫化物的溶解和擴散，使絕緣硫和Li2S之間的電化學活性變得更加活躍，另一方面，由于存在穿梭效應，聚硫化物會在隔膜、硫正極、鋰負極的氧化還原界面之間穿梭，導致容量衰減、效率降低以及自放電等損害。而且，硫的反復溶解和再沉積，會在硫和Li2S之間的固-固轉(zhuǎn)變過程中，導致劇烈的體積變化（≈70%）。
因此，處理聚硫化物在電極、電解液表面的溶解、擴散和氧化還原反應是蓄電池充電機設計先進電極的核心難題，尤其是對于高硫負載量的Li-S充電機充電蓄電池，穿梭效應會變得更加嚴重。除此以外，為了滿足高電流密度，反應速率也需要同時增強。這些都要求研究者對反應機理進行更深入了解，以及對活性材料、導電的寄主材料和電解液界面之間更合理的表面工程蓄電池充電機設計。
1.2 顆粒的蓄電池充電機設計
鑒于電子和離子運輸?shù)南拗?，納米材料由于減少了載流子的特征擴散長度，降低了動力學上的障礙，同時又能在表面上提供大量的反應活性位點，因此在可充電充電機充電蓄電池中被作為首選材料。然而納米材料的應用存在以下幾點問題：
1）大量的S暴露在電解液中不受控制，會使得穿梭效應變得更嚴重；
2）S正極上更高的孔隙率，使得電解液被大量攝取，導致E/S的比值（電解液/硫）變得更高，使比能量降低；
3）隨機填充材料誘導產(chǎn)生宏觀各向異性，擾亂電子、離子的空間分布，產(chǎn)生全電極內(nèi)熱，導致不均勻的反應和傳輸行為，甚至是有效質(zhì)量/體積的鈍化；
4）組裝密度低，降低了體積能量密度。
對于充電機充電鋰電池，現(xiàn)存和構想的方法主要有以下三種：1）粘結劑輔助的自組裝；2）自組裝；3）核殼結構或蛋黃殼顆粒。
1.2.1 粘結劑輔助的自組裝
雖然粘結劑在電極中僅占2-10%的重量，但是對于二次充電機充電蓄電池的循環(huán)壽命卻起著主要的影響。對于傳統(tǒng)的LIBs，粘結劑在電化學的離子嵌入/脫出或者是合金/去合金過程中起著膠合導電劑和固態(tài)活性材料的作用，并將得到的復合粒子粘結在集流體上。尤其是對于較厚的電極，粘結劑的作用將顯得更加重要。因此，一種對于活性材料和導電劑具有很強的粘接強度、低電阻以及合理的物理化學穩(wěn)定性的粘結劑將顯得十分必要。
具有微米大小的硫復合材料顆粒，經(jīng)過合理組裝功能高分子粘合劑修飾，會讓厚電極上的穩(wěn)定性變得更好。
在顆粒方面，粘結劑在構建充電機充電鋰電池中等能量的粒子時，必須要能穩(wěn)定整個結構中每個微粒的機械和化學性能。這就要求粘結劑不僅具備內(nèi)在的膠合強度，而且對于其他單元還具有界面親和力。除此以外，還需要提前考慮到粘結劑是否可以制備成對聚硫化物有吸收作用，從而抑制顆粒的溶解。
1.2.2 自組裝
總的來說，利用自組裝的方法獲得高性能微粒，需要一些關鍵的先決條件充分發(fā)揮該方法的優(yōu)點：
1）因為微粒的結構穩(wěn)定性十分重要，所以需要調(diào)節(jié)每個結構單元以獲得具有機械剛性的框架。界面可以分為大表面積納米材料（如 CNT、石墨烯）之間的范德瓦耳斯力、氫鍵和共價鍵合（自組裝碳中的C-C鍵）；
2）微粒內(nèi)部的孔隙應控制；太窄或者太過扭曲都會導致Li+的運輸受到阻礙，太大的空隙又會導致聚硫化物的擴散。除了制空劑和模板，控制自組裝過程中蒸氣揮發(fā)和氣體放出也可以獲得理想的內(nèi)部孔隙；
3）為了阻止聚硫化物的擴散，降低電解液的濕度十分必要，對結構單元進行親水性改性或者采用表面具有與眾不同性質(zhì)的結構單元（NG或者N摻雜的C）將是不錯的選擇。
4）所有制備顆粒的材料都應該制備簡單，要求具有可分散性、溶解性、黏性、揮發(fā)性、流動性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等。
1.2.3 核殼結構
與粘結劑自組裝以及自組裝微粒相比，核殼和蛋黃殼顆粒具有的主要優(yōu)點是其可以保護S的損失和保持結構的完整性。殼材料的性質(zhì)對于微粒的性能產(chǎn)生著重要的影響。圖7中對不同殼材料的優(yōu)點、缺點進行了匯總。
在未來，具有離子/電子電導性的組合式蓄電池充電機設計，或者是復合殼材料，將會成為制備高性能充電機充電鋰電池極具前景的方法。
1.3 電極結構
制備硫電極主要有以下幾個步驟：
1）制備硫復合物；
2）將上述混合物與導電劑、粘結劑、溶劑混合，以制備電極漿料；
3）將上述漿料涂布在集流體上，通常為2D金屬薄片，如鋁箔；
4）將上述電極材料蒸發(fā)干燥。
為了達到高硫負載量的要求，上述步驟需要進行改進。鋁箔是LIBs和充電機充電鋰電池中最常見的集流體，但因為是2D結構，所以存在電接觸面積不足的問題。因此最常見的方法就是將其變成3D結構。文中總結了以下三種方法：1）2D涂層電極；2）3D自組裝電極；3）3D滲透電極。
1.3.1 2D涂層電極
改善的2D涂覆電極，一方面可以通過合理的制備蓄電池充電機充電技術得到，如泥漿制備、泥漿涂布和電極烘干/致密化來實現(xiàn)。另一方面，作為電極中單獨的成分，粘結劑在顆粒裝配穩(wěn)定化和電極結構上扮演著重要角色。
1.3.2 3D自組裝電極
制備高硫負載量充電機充電鋰電池正極材料的主要方法是：通過將不同尺度結構單元組裝成介孔層、泡沫、紙層、氣凝膠或者其他復合活性材料和功能活性材料，添加在三維構建中。這種3D自組裝電極保持了相互連接的介孔結構的優(yōu)點，在沒有粘結劑的幫助下，提供雙電子/離子運輸通道。這種沒有粘結劑的自組裝，降低了復合成分的重量。此外，通過操縱3D構架之間的物理和化學接觸，可以獲得機械和結構穩(wěn)定性，從而可以忍耐劇烈體積變化的結構，以保證3D自組裝電極良好的循環(huán)壽命。在大多數(shù)情況下，3D自組裝電極，尤其是CNTs和CNFs等1D納米材料占有較高比例的材料，具有很好的柔韌性甚至是折疊性、拉伸性，可以滿足新一代柔性儲能器件的需求。
1.3.3 3D滲透電極
與3D自組裝電極不同，它采用傳統(tǒng)的刮刀涂布蓄電池充電機充電技術或是通過電解液中的聚硫化物滲透到活性材料層，形成3D介孔基底。
1.4 其它硫的同素異形體
硫的同素異形體具有良好的前景和極具特色的化學性質(zhì)，聚硫化物的形成在其內(nèi)部被阻斷，有效的穩(wěn)定了正極和鋰負極。然而，在硫的同素異形體實際應用在正極材料之前，還有許多蓄電池充電機充電技術障礙需要被克服。
2. 負極
相對于正極材料來說，高負載量充電機充電鋰電池負極的研究鮮有問津。然而負極材料，尤其是金屬鋰負極材料逐漸成為發(fā)展充電機充電鋰電池的瓶頸，應當投入大量的研究。這部分中，和正極一樣，文中把目光重點放在高硫負載量和高電流密度的負極上。這里可以簡要概括為兩個方面：金屬鋰負極和非金屬負極。
2.1 金屬鋰負極
目前鋰金屬負極存在的問題可以分為兩類：1）金屬鋰電鍍和解鍍過程中本征動力學問題；2）Li-S之間獨特氧化還原反應產(chǎn)生的聚硫化物穿梭及其反應。因此，解決方案可分為兩個部分：3D鋰寄主和SEI膜的穩(wěn)定。
2.1.1 3D鋰寄主
目前對于這方面的研究仍然處在初級階段，金屬鋰負極納米結構上的進展顯而易見，穩(wěn)定在10 mA cm?2電流密度下具有良好的倍率性能，對于3D鋰寄主的概念印證也有較好的表現(xiàn)，為發(fā)展鋰金屬負極做出了良好的開端。
圖14. 高負載量充電機充電鋰電池中負極金屬鋰失敗的例子
2.1.2 SEI膜的穩(wěn)定
天然SEI膜十分復雜，當聚硫化物和金屬鋰之間反應時，其將變得更加復雜。現(xiàn)行的實施策略都存在兼容性問題，需要先進的表征和模擬方法以更深入地理解SEI膜結構及其形成和轉(zhuǎn)變，尤其是聚硫化物存在時的高電流密度情況。除此以外，先進的制備方法也對物理化學因素有著關鍵地位，如ALD在控制形貌、厚度、鋰負極上的黏性起著重要作用。
2.2 非金屬負極
使用非金屬負極替代效率低、安全性能差的金屬鋰負極，是增強循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能最直接的方案。在比能量和貯藏壽命之間必然有一個平衡，非金屬鋰負極主要的瑕疵在于比能量低。
3. 隔膜
隔膜是電化學儲能器件中重要的組成部分，它的作用也是不可取代的。最初的隔膜是為了分離二次充電機充電蓄電池和超級電容器中的對電極，阻止它們短路；在液流充電機充電蓄電池和燃料充電機充電蓄電池中，它的作用是選擇性透過質(zhì)子或OH-離子。傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜，如PE和PP都具有微孔，由于它們制備簡單、電阻低和良好的化學穩(wěn)定性被大量應用在LIBs中。在充電機充電鋰電池中，由于其獨特的多電子電化學反應，對隔膜的要求也變得更復雜。
3.1 正極隔膜改進
插入一個導電多孔夾層或者在常規(guī)聚合物表面包覆功能層的思路被證明是提高充電機充電鋰電池性能有效的方法。正極隔膜根據(jù)功能劃分為以下兩類：聚硫化物抑制層和聚硫化物活化層。
3.1.1 聚硫化物抑制層
聚硫化物抑制層具有理論的依據(jù)，稱之為抑制聚硫化物的穿梭。其有以下蓄電池充電機充電技術優(yōu)勢：1）增強了庫倫效率；2）減輕容量損失；3）抑制自放電；4）負極穩(wěn)定性。
然而，在實際應用中，抑制層帶來的離子擴散阻力也是個令人頭疼的問題。
3.1.2 聚硫化物活化層
Goodenough 及其團隊成員用介孔的纖維素膜取代PP隔膜，表現(xiàn)出了金屬鋰更強的界面穩(wěn)定性，實現(xiàn)擴展循環(huán)壽命達到1000次以上。
3.2 負極隔膜的改進
目前對于充電機充電鋰電池負極隔膜改進的研究遠不如正極多，但是當金屬鋰負極和電解液滲透隔膜相接觸時，這將顯得十分重要。有理由相信這個領域正在迅速發(fā)展，在不久的將來一定會有巨大的改變。
3.3 互相協(xié)調(diào)的電極/隔膜蓄電池充電機充電系統(tǒng)
硫正極、鋰負極和隔膜等單獨的部分，以及它們戰(zhàn)略的優(yōu)化和重要概念在上文中都已經(jīng)討論，然而，負載大量活性材料的充電機充電鋰電池，每個單獨的部分都會對它產(chǎn)生影響。這些影響之間都有著相互的關聯(lián)，分離出單獨部分的影響進行研究，將有利于對充電機充電鋰電池的理解。反之，蓄電池充電機充電系統(tǒng)的蓄電池充電機設計也將為充電機充電蓄電池整體性能帶來改進。
圖19. 綜合的電極隔膜蓄電池充電機充電系統(tǒng)
4. 結論和展望
4.1. 每種方法的改進，包括其必要性、優(yōu)點、缺點和發(fā)展方向都匯總如下：
正極
1.表面極性和電導性是硫寄主材料的兩個關鍵問題，因為它們強烈影響著界面反應動力學和非均相的轉(zhuǎn)變；
2.納米材料應當廣泛并合理運用在能量粒子對中，以便讓電解液和活性相有更好的接觸，獲得更高的密度和宏觀均勻性；
3.2D包覆電極是實際應用中的可靠結構；
4.實驗室中3D自組裝/滲透電極在提高面積負載量和容量上具有獨特的優(yōu)點，但是在實際運用中仍有許多缺點需要克服。同時，3D電極的理念對于2D電極的蓄電池充電機設計也有很好的借鑒作用；
5.對于穩(wěn)定粒子間的連接和接觸，以及2D包覆電極，發(fā)展先進的粘結劑材料顯得十分必要。
負極：
1.充電機充電鋰電池中，金屬鋰負極材料的發(fā)展已經(jīng)到了瓶頸期；
2.枝晶長大和SEI膜穩(wěn)定是兩個相互配合的決定性因素，它們最終耗盡了金屬鋰和電解液；
3.3D鋰寄主材料材料降低了絕對電流密度和枝晶生長幾率。然而，它在全充電機充電蓄電池中卻必不可少，無鋰負極等有效浸漬的策略十分必要；
4.SEI膜穩(wěn)定的方法不僅具有高電流密度的優(yōu)點，而且要能與聚硫化物相配合；
5.一些新興的策略對于SEI膜的形成或許會有幫助。
隔膜
1.在調(diào)節(jié)界面性質(zhì)和運輸行為上，隔膜都起著很關鍵的作用；
2.聚硫化物抑制和反應都是控制聚硫化物穿梭、氧化還原和鋰腐蝕的有效方法，然而要注意不能以犧牲總比能量/能量密度作為代價；
3.要分正極和負極來發(fā)展隔膜，這種非對稱結構對于正負極不同需求的迎合將會有很好的前景。
4.對于大面積生產(chǎn)，還需要開發(fā)更加先進的制備工藝。
4.2. 充電機充電鋰電池實際運用的機遇和挑戰(zhàn)：
理論基礎
1.多電子轉(zhuǎn)換化學的復雜性要結合計算、模擬和先進的表征蓄電池充電機充電技術進行深入研究；
2.形態(tài)的中間體目前仍有爭議，帶電離子、中性的離子對還是原子團，目前仍無定論；
3.研究發(fā)現(xiàn)充電獲得高過電位時存在電壓滯環(huán)，盡管要比Li-O2充電機充電蓄電池的小，但仍然要弄清楚，它是不是固有存在的？可不可以通過電催化來消除？
材料
1.硫的催化載體材料等都具有良好的表現(xiàn)，然而其化學不穩(wěn)定性會導致全充電機充電蓄電池的性能衰退，還需要對電催化劑和氧化還原媒介進行開發(fā)，以阻止這種不良反應；
2.金屬鋰很活潑也很容易受到損害，需要找到很好的方法，可以在靜態(tài)和反應時保護它。同時，出于循環(huán)效率的影響，它的負載量還需要降低；
3.隔膜是不可或缺的，需要綜合考慮其重量、厚度、多孔性、選擇透過性和穩(wěn)定性。
蓄電池充電機充電技術
1.蓄電池充電機充電系統(tǒng)集成還有許多難題；
2.熱管理方面還有欠缺。相反，控制整個充電機充電蓄電池的溫度在不影響反應/傳輸動力學水準之下是十分關鍵的問題；
3.電極極耳扮演者重要角色。當電流通過時，上面會產(chǎn)生大量的熱。除此以外，廣泛研究的3D自組裝/滲透電極使用的是碳質(zhì)材料，不能焊接普通的金屬電極極耳；
4.具有連續(xù)生產(chǎn)成熟蓄電池充電機充電技術和均一的產(chǎn)品十分重要，相關標準和蓄電池充電機充電技術的需求也十分緊迫；
5.持續(xù)發(fā)揮多電子轉(zhuǎn)換化學的蓄電池充電機充電技術和管理全充電機充電蓄電池中的SEI膜需要加以開發(fā)和利用。對于高質(zhì)量充電機充電鋰電池，穩(wěn)定可靠的正極和負極都很重要。制備出的電芯的均一性也將影響著全充電機充電蓄電池的安全水平；
6.充電機充電蓄電池管理系統(tǒng)需要深入開發(fā)，不僅是充電機充電鋰電池，其他LMBs也是一樣。對于商業(yè)開發(fā)來說，充電機充電鋰電池的技術仍不成熟。
4.3. 展望
發(fā)展充電機充電鋰電池，尤其是高負載量的充電機充電鋰電池，關鍵在于對其內(nèi)部基本原理的理解。如果不能落實上述問題的話，就必須承認對于充電機充電鋰電池的研究存在過高的期望。但是研究者對于LIBs充電機充電蓄電池的研究持續(xù)了二十多年才實現(xiàn)商業(yè)化。因此，應當相信對于充電機充電鋰電池的研究仍處在最初階段，有大量的挑戰(zhàn)和機遇等待著研究者去探索，前面的路還很長。對于這個充電機充電蓄電池發(fā)展的黃金時代，研究者需要投入更深刻的理解、巧妙的思路和更先進的蓄電池充電機充電技術，這就要求多學科的合作和多方位的探索。充電機充電鋰電池的路該往哪里走？請保持耐心，保持好奇，保持勤勉，保持合作，終會得到答案。
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