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电解液对电池能有多大影响?

目前,锂硫电池的使用越来越广泛了,但是有时候它的循环稳定性却不尽如人意,科学家们通过对其电解液的成分开展研究后终于找到了这个问题的答案。

    当你需要你的手机的时候,你担心它不给力吗?当你驾驶电动汽车时,出现汽车没电的尴尬时,你怎么办?对于这些问题,轻便的锂硫电池就可以回答你!它的储能容量是超市货架上电池的2倍以上,但经常出现没电,使用寿命不长的情况。储能研究联合中心(JCESR)和西北太平洋国家实验室的科学家们发现了这个问题背后的原因之一。

    他们发现,在电池内的电解液中使用的盐类使很大的区别。当一种被称为 LiTFSI(二(三氟甲基磺酰亚胺)锂)的盐被制成电池的电解液时,测试电池可以保持最大的充放电量运行超过200次。在锂硫电池当中,LiTFSI 会在电极上约束锂、硫原子,但很快释放他们。与此相反的是,一种类似的电解液对锂、硫原子的约束力更强,根本不释放。其结果是电池性能迅速下降; 使用电池在运行几十次之后,就没有能量了。

    电动汽车的担忧之一就是长时间在高速公路上驾驶的时候,司机不想被困在充电站之间。这种担心使得消费者决定购买低排量汽车。这项研究的结果将另一个重要的因素添加到了高能锂硫电池的设计指导当中。

    为了确定电解液对锂硫电池的影响,研究团队利用LiTFSI 和LiFSI做相关实验,LiTFSI 和LiFSI是非常相似的两种电解液,仅仅是LiFSI比LiTFSI含有更少的碳和氟。他们利用环境分子实验室里的设备不断地测试电池充放电的能量,最后对电极做了调查分析。

    他们发现用LiTFSI做电解液的锂硫电池当中,锂原子被硫原子束缚,在电极表面形成硫化锂(LiSx)。而用LiFSI做电解液时, 则形成硫酸锂(LiSOx)。通过计算两种锂的化合物的结合紧密度,他们发现锂硫化物容易破裂释放锂。然而,硫酸锂是很难分开的,因此硫酸锂当中的氧元素是罪魁祸首。

    “通过将宏观的成分分析与模拟相结合,我们可以看到哪些键容易破碎,如果化学键发生断裂,会发生什么。” 正在国家实验室领导这项研究的Ji-Guang (Jason) Zhang博士说到,“这个过程让我们识别电解质的行为,引导我们设计更好的电解质,提高锂硫电池的循环寿命。”

    对于研究者来说,下一步就是研究电解质添加剂,在锂的阳极表面形成保护层,免受电解液的腐蚀作用。

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