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　　我國動力電池產業正處在由技術追趕期向同步發展期過渡的關鍵階段，在國家相關政策支持下，需要進一步實現顛覆性的技術突破和協同創新。2017年6月21日，由青海省、工信部、科技部、中國電動汽車百人會在青海西寧舉辦的”第十八屆中國·青海綠色發展投資貿易洽談會·鋰產業國際高峰論壇“迎來了全球近800名嘉賓。

　　6月21日下午舉行的“電池前沿技術研討會”分論壇，交流了鋰離子動力電池正負極材料研究與應用最新進展;高比能量動力電池與新材料體系電池技術研究的前瞻性科研成果;動力電池技術路線;動力電池生產工藝、系統集成技術與能力提高方面的研究;動力電池的梯次利用及回收利用技術。

　　美國賓夕法尼亞洲立大學機械工程與化學工程系終身教授王東海從學術的角度暢談了新型的電池技術，鋰硫電池的研發和應用。現場實錄如下：

　　作為一個大學的教員，我想從學術角度談一下新型的電池技術，我們做鋰電池技術包括下一代的鋰金屬電池技術已經有七八年了，鋰硫電池是一個重要的研究方向，我們組主要進行了一些材料，包括正極，包括電解液，包括負極的研究。

　　大家看一下鋰硫電池的反應路徑，它潛在有高能量，但是卻是一個低成本的電池，因為它正極用的硫，硫非常便宜，負極是金屬，作為青海的材料基地，如何作為下一代電池的附加材料或者是高成本材料，如何合成新型的鋰負極也是非常好的方向，我估計未來十年二十年鋰硫電池的技術應用在一些特殊的領域，我相信大家能看到這樣的產品。

　　鋰硫電池是一個化學反應，硫和鋰的化學反應，并不是嵌入嵌出的過程，能夠轉化成化學能量，轉化成電化學。能量值達到1600毫安時每克，一般來說現在能應用到1000到1200，也就是說鋰硫電池和鋰離子電池不一樣，它是兩個離子的轉移，這就是它潛在的高能量的原因。

　　但它也有很多問題，本身的問題，也包括一些性能的問題，我這里列出了幾個問題，硫是一個絕緣體，它產生中間不同的多硫化物，電池是固體材料，但是多硫化物是可以溶解在里面的材料，這就造成了復雜性，包括它來回的穿梭。還有最終的產物鋰二硫是不可逆的轉化，因為這個顆粒是化學轉化的反應，當顆粒比較大的時候，電化學的動力學就非常慢，很難用到百分之百的兩個例子，也就是在1.5個電子的時候往往得不到它的能量，這是鋰二硫的不可逆生長。當然鋰硫電池也包括鋰，如何高效沉積運用鋰金屬最終成為負極，這也是多年的問題。

　　我們組做鋰硫電池確實有幾年了，包括正極的開發，包括電解液和正極的保護，今天我主要講三個方面，首先是正極，然后是電解液，最后介紹一下負極材料。

　　從正極材料角度講，我們最初在研究這個鋰硫正極的時候，碳材料是應用最廣泛的，但是接觸到鋰硫電池以后，它不能不考慮多硫化物的溶解與穿梭。前面吳教授也說了隔膜對多硫化物的阻擋作用，我們在想運用到一個新型的碳材料除了多孔還有吸附。應用了一些功能化的多孔碳材料，通過吸附，這是X光的光譜來檢測硫和氧的光譜，發現鋰硫電池中碳材料和固體流跟多硫化物有沒有吸附作用，這是化學光譜譜圖(ppt)，在氧和硫之間有相互作用，同時硫和氧形成硫酸根的鍵合和傳統的沒有硫酸根的是不一樣的，可以看出它的組份的表面功能團的鋪圖分析出來，形成一個氧硫鍵，可以在氧和硫的圖譜上都能確認。

　　最主要的是這個確認也有一些化學吸附，對多硫化物有一些吸附，如果說比較一下傳統的吸附劑，包括多孔二氧化硅，多孔碳到多孔二氧化二鋁，吸附性非常強，盡管它的孔體積并不那么大，但是在同樣克數的材料，吸附10倍以上的增長，這就是一個新型碳材料在里六當中的應用，大家可以擴展到不同的碳功能團。

　　運用到這個電池當中，往往需要有新的功能性，包括它如何能應用在電極制作。我們也運用了合成方法，形成像石墨這種材料的形貌的多孔的功能碳球，在10到20微米左右大小，這樣大小的碳球結核硫就很容易結合現有的技術，形成有一定碳硫載量的正極材料，可以用于鋰硫電池。

　　下一步介紹一下電解液，鋰硫電池的電解液是一個醚類的電解液，傳統的電解液和硫有相互作用，醚類的電解液包括鹽和溶劑。鋰硫電池有一個性能，通過打斷硫硫鍵來往復應用化學能轉化為電能，硫硫鍵往往不是硫硫，往往是很多硫化物或者是含硫硫鍵的化合物也有貢獻能量的作用。如果你看電解液90%是溶劑，我們早期想把溶劑一部分的量來用含硫硫鍵的化合物來替換，也能貢獻它的容量。

　　最近我們有一些研究的進展，通過有機硫硫化合物能夠改變傳統鋰硫電池的路徑。這個工作我們也是非常激動，因為它確實能夠改變反應路徑。這是放電的一個曲線(ppt)，傳統鋰硫電池放電和新型電解液當中的放電，這是透明的三電極的電池，能看出在不同階段的放電，我們能看出多硫化合物的產生，以及這個新型電解液的溶液電解質的顏色變化，我們也可以從中取樣做一些在線的NMR或者是XPS的核磁共振和表面分析。尤其能看出它沒有傳統鋰硫電池多硫化合物的產生，這個主要原因是因為加入了二甲基硫醚，關鍵這個化合物和硫有相互作用，所以它改變了傳統鋰硫電池的充放電曲線，傳統的有兩個電壓曲線，這個電壓穩定在2.0左右，但是它的容量保持率以及容量是非常高的。

　　這個主要的原因，我們也做了一個在線的核磁共振的分析，這個在線核磁共振就是當你放電充電的時候，你能通過取樣來做NMI，因為我們加入了二甲級硫醚以后有質子，通過質子的核磁共振來監測反應的中間產物。我們可以從透明的電池看出來，它沒有傳統的多硫化合物，而是一些其它的硫化物的形式。這個地方有一個二甲級三硫，以及最終的產物是甲級硫鋰的產物，通過它的D放電，通過C，可以發現中間產物是二甲級三硫，跟鋰硫電池三硫二鋰很相似，能看出在放電的時候它不斷減小，充電的時候不斷增加。在放電中，它會產生，因為它是最終的放電產物，在充電的時候它又消失，最終能被利用。

　　這是我們在改變鋰硫電池的路徑方面做的研究(ppt)，通過添加新型電解液。

　　最終比較一下，在傳統鋰硫電池中，這個硫在碳表面成為電化學反應，通過鋰離子在導電表面的氧化還原反應，激活硫硫鍵，成為多硫化合物，我們加入這個二甲級硫醚之后，首先產生多硫化合物，最終的反應產物是甲級硫鋰跟鋰二硫并存，它有一定的電解性，你可以利用它的產物利用出來1.5到1.8的電子性能。因為我們所有的試驗中電解液都是控制的，能夠取代一定的電解液，所以總體來說會有一定的提高，這是一個簡單的總結，在不同電解液情況下，鋰硫反應路徑有什么不同。

　　有些性能的比較，首先它的容量是有很大提高的，另外它的電壓曲線極化有降低，因為有潤滑劑的作用。這是利用硫硫鍵在不同形式當中，可以結合無機的硫和有機的硫，使這個充放電更快，極化更小，最終它的容量能提高，同時我們也可以降低液體和固體硫的比例，能夠讓它的整體電量提高很多。

　　最后一部分，介紹一下負極材料，鋰硫電池從正極、電解液到負極，包括隔膜，其實有一個綜合匹配的過程，任何用鋰金屬的電池都會有鋰金屬的問題，我們可以看看在鋰金屬方面，鋰硫電池中也是有一些獨特的東西。

　　大家知道鋰金屬是沉積溶解，石墨是嵌入，硅是合金反應，最終是通過低電量下的鋰的氧化還原反應貢獻電量。因為鋰的表面比較活潑，所以往往形成一個固液界面，鋰金屬在沉積的過程中會不斷地位移，最終會有裂縫，這個裂縫導致整個電流密度不均勻，鋰質金就可能生長。鋰硫電池有一個好處，有多硫化合物，跟鋰是非常容易反應的，所以它會天然形成一個膜。這個膜是多硫化合物產生的一個無機的固化膜，也容易破碎。

　　所以我們研發了一種雜化膜，有有機的成分，也有無機的成分，同時利用鋰硫的化學，產生一些原位產生的固液界面膜，它不斷地侵蝕產生的裂縫，然后把裂縫再彌補成一個固液界面膜，這樣不會有裸露的鋰金屬，這樣鋰金屬就相對穩定，可以循環很多。

　　這是一些結果比較(ppt)，如果說傳統的鋰金屬沉積不均勻，會產生一些分散的鋰堆積，也會有一些鋰的質積。多硫化合物會產生一些表面涂層，來保護鋰，雜化的電解液和涂層就讓鋰的沉積更均勻，從低分辨到高分辨，從不同的視角都能看出空間是均勻的。

　　再一個是鋰的形貌也不一樣，這個形貌通過雜化的電化學，有活性的高分子涂層鋰的形貌非常的均勻，在多硫化合物當中的鋰相比沒有多硫化合物的鋰均勻，但是你能看出它有很多的缺點。沒有任何保護的鋰就會非常不均勻，這里就會產生最終的鋰硫電池的容量損失，運用新型的電化學源膜來保護鋰的沉積。

　　這個膜的界面也非常穩定，通過幾百次的循環，它的阻抗也是非常低的。所以現在我們正在應用這種膜技術來結合我們的鋰硫的正極和電解液來開發下一代高能量循環更長的鋰硫電池，我們確實有一些技術，有一些數據，但是時間原因我就不在這多說了，這是簡單的鋰沉積與溶解中的電化學測試，就是在一個不對稱電池中，鋰沉積在一個銅片上，看鋰沉積和溶解的效率，應該說是屬于中等的，在文獻中是很高的了。它的循環效率能夠在99%，差不多在300次左右，所以這也算是一個進步，但是總體來說，今天我想給大家分享的是下一代技術鋰硫電池跟傳統的鋰離子的嵌入嵌出不太一樣，我們需要結合材料的角度、電化學的角度來解決它的正極、負極、電解液以及整個電池制作工藝。

　　以上就是我的發言內容，謝謝大家!