現代汽車開發電池新材料 容量提升五成
日期：2024-11-25 09:25:04 作者：宏力精密鋼管 閱讀數：511日前，來自現代汽車公司的研究人員發現砜基電解質可以有效提高鋰硫電池的容量和可逆容量保持率。在2014年美國汽車工程師協會世界大會中，現代汽車公司對以上新發現進行了詳細報道，與普通電解質相比，通過采用砜基電解質可以有效提高鋰硫電池容量，容量提升52.1%達到715毫安時/克;可逆容量保持率提高63.1%達到72.6%。
鋰硫電池作為能量密度超越鋰離子電池的新材料電池，其電池容量更大，配備了該電池的電動汽車純電動續航里程也將更遠。鋰硫電池系統理論能量密度達到了2600瓦時/千克，但是其可逆容量保持率較低是其眾所周知的一大問題。同時，鋰硫電池還存在多硫化合物(PS)溶于電解液以及在放電過程中陰極上會產生固體硫化鋰和其他不溶性沉淀物等問題。
現代汽車公司研究人員Shin等人表示：“鋰硫電池反應機理為，放電時負極金屬鋰失去電子變為鋰離子，正極硫與鋰離子及電子反應生成多硫化物(多硫化物PS為含多硫離子的化合物，其中具體反應過程為S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S)，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程，在充電過程中發生可逆反應。在多硫化物的反應過程中，Li2S6和Li2S4可以溶于電解質中。在提高鋰硫電池硫利用率以提高電池可逆循環利用率方面，多硫化物起到了至關重要的作用。
醚型溶劑由于具有良好的多硫化物溶解性和較高的化學穩定性，所以其被認定為是鋰硫電池最佳的電解質選擇。另外，溶解的多硫化物會引發氧化還原反應，從而會降低電池庫倫效率，縮短可逆循環保持率，導致產生自放電現象。因此，此次研發工作主要目的就是開發一種全新的電解質以降低氧化還原反應提高電池的可逆循環保持率。”
在現代汽車公司此次的研究過程中，研究人員采用了5組一元醚型電解質(二甲醚DME、二乙二醇二甲醚DEGDME、三甘醇Triglyme、三甘醇二甲醚TEGDME和二氧六環DIOX)、1組二元醚型電解質(三乙二醇二甲醚TEGDME和二氧六環DIOX混合物)以及3組三元醚型電解質(混合比例分別為1：1：1、1：1：2和1：1：3的三乙二醇二甲醚TEGDME：二氧六環DIOX：環丁砜Sulfolane混合電解質)分別進行了對比實驗。
現代汽車公司研究人員實驗中的鋰硫電池采用了硫陰極和鋰金屬箔陽極，同時在兩電極之間采用了聚乙烯隔膜。鋰硫電池電化學實驗是在20攝氏度室溫下進行的，工作電壓被控制在了1.5伏-2.65伏之間。
在一元醚型電解質實驗中，二甲醚DME電解質系統具有最高的能量密度，達到了878毫安時/克;二乙二醇二甲醚DEGDME電解質系統能量密度次之，也達到了857毫安時/克。然而，二甲醚DME電解質系統在第6個工作循環后出現了非常明顯的電池容量衰減現象;而二乙二醇二甲醚DEGDME電解質系統則在第2個工作循環后出現了非常明顯的電池容量衰減現象。二氧六環DIOX電解質系統在第1個工作循環中能量密度達到了1040毫安時/克，而在第12個工作循環中能量密度迅速降到了640毫安時/克。二氧六環DIOX電解質系統具有非常高的初始能量密度，然而，在第12個工作循環之后其能量密度也出現了非常明顯的電池容量衰減現象。三甘醇二甲醚TEGDME電解質系統初始能量密度就較低，僅達到了200毫安時/克，但是在其之后的工作循環中并未出現明顯的電池容量衰減現象。
在二元醚型電解質實驗中，實驗人員通過將三乙二醇二甲醚TEGDME和二氧六環DIOX進行了1：1配比混合得到了該二元醚型電解質。此實驗的目的是為了綜合利用三乙二醇二甲醚TEGDME良好的可逆循環保持率和二氧六環DIOX高能量密度的特點。通過實驗得知，該二元醚型電解質系統初始能量密度達到了1057毫安時/克，在經過20個工作循環后能量密度為470毫安時/克。與一元醚型電解質相比，該二元醚型電解質表現出了良好的可逆循環保持率。然而，該二元醚型電解質系統在首次工作循環后仍然存在明顯的電池容量衰減現象，同時在經過20個工作循環后，該二元醚型電解質系統可逆循環保持率較低，僅達到了44.5%。
在二元醚型電解質實驗中，實驗人員還為鋰硫電池兩電極之間添加了玻璃換膜過濾器，其目的是為了抑制鋰硫電池電極周圍的高阻抗。玻璃換膜過濾器可以吸引電解質，因此可以通過添加玻璃換膜過濾器有效降低電極周圍發生電解質不足現象的可能性。通過采用玻璃換膜過濾器，該二元醚型電解質系統初始能量密度有所降低，而可逆循環保持率得到了提高，在經過20個工作循環后其能量密度可以達到605毫安時/克。
據現代汽車公司研究人員化學分析表示，砜基電解質可以在鋰硫電池陽極表面形成保護膜，并能通過阻斷鋰金屬陽極與多硫化物之間的反應來降低多硫化物的析出。此外，普通電解質在反應過程中電池電極表面會有裂紋產生，而該保護膜可以有效降低電極表面裂紋的產生。
在三元醚型電解質實驗中，現代汽車公司研究小組采用了環丁砜Sulfolane作為其鋰硫電池電解質。通過將不同劑量的環丁砜Sulfolane與三乙二醇二甲醚TEGDME、二氧六環DIOX混合得到不同配比的電解質溶液。實驗結果表明，1：1：2配比的三乙二醇二甲醚TEGDME、二氧六環DIOX、環丁砜Sulfolane混合電解質具有最好的可逆循環保持率，電池容量也達到了715毫安時/克;而1：1：1配比的三乙二醇二甲醚TEGDME、二氧六環DIOX、環丁砜Sulfolane混合電解質次之，其電池容量為674毫安時/克，可逆循環保持率為68%;1：1：3配比的三乙二醇二甲醚TEGDME、二氧六環DIOX、環丁砜Sulfolane混合電解質各方面性能最差。此外，在該三元醚型電解質實驗中鋰硫電池陽極表面裂紋現象顯著減少。