【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著科學(xué)探索逐漸步入地核與深空等難以充電的未知領(lǐng)域，高能量密度一次電池再次成為科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。在目前所有的電對中，鋰硫電池具有2600 Wh/kg的極高理論能量密度，是頗具潛力的一次電池體系之一。然而，鋰硫一次電池面臨著兩個(gè)挑戰(zhàn)，尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。一是低于預(yù)期的實(shí)際能量密度：過多用于促進(jìn)硫轉(zhuǎn)化的非活性物質(zhì)(電解液與導(dǎo)電碳)的加入，增大了體系質(zhì)量負(fù)擔(dān)；緩慢的固體-液體-固體轉(zhuǎn)化降低了容量利用率。二是差強(qiáng)人意的儲(chǔ)能性能：單質(zhì)硫不斷從正極溶解，并通過濃度梯度擴(kuò)散到負(fù)極對金屬鋰腐蝕產(chǎn)成Li2Sx（S8sol + Li → Li2Sx），導(dǎo)致正負(fù)極的容量在儲(chǔ)存過程中不斷損失。這些本質(zhì)上相互關(guān)聯(lián)的問題發(fā)生在整個(gè)電池體系中(正極側(cè)、電解液側(cè)和負(fù)極側(cè))，因此傳統(tǒng)的局部優(yōu)化方式如添加正極催化劑或強(qiáng)化負(fù)極SEI往往不能兼顧實(shí)際能量密度與儲(chǔ)存性能的需求。鑒于電解液在整個(gè)電池系統(tǒng)中的橋梁作用，科學(xué)家從電解液入手，逐步解決上述兩大困難成為切入點(diǎn)。
鋰硫電池的過大質(zhì)量主要來源于電解液，如何在不影響性能的前提下降低電解液質(zhì)量成為提高能量密度的重中之重。為此，傳統(tǒng)解決方法為降低電解液體積。然而，多孔正極和硫的固-液-固轉(zhuǎn)換機(jī)制對電解液的量有本質(zhì)的要求。無限制地減少電解液體積會(huì)造成正極浸潤不足，損害容量釋放，最終適得其反。相反，質(zhì)量公式m = ρ × V表明，當(dāng)降低電解液體積趨近邊際效應(yīng)時(shí)，降低密度能夠進(jìn)一步有效降低電解液質(zhì)量。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心懷柔研究部、北京清潔能源前沿研究中心研究員索鎏敏課題組，聯(lián)合北京科技大學(xué)毛慧燦課題組，針對鋰硫一次電池實(shí)用化的兩個(gè)挑戰(zhàn)，提出了具有封裝溶劑化結(jié)構(gòu)的超輕電解液策略。研究通過針對性地引入鏈狀單氧甲基叔丁基醚來構(gòu)建超輕電解液，使電解液質(zhì)量降低了23.1%，更使容量利用率提高了38.1%。此外，結(jié)合引入氟化石墨(CFx)的復(fù)合硫基正極策略，體系的能量密度得到進(jìn)一步提升。在為期31天的靜置實(shí)驗(yàn)中，S-CFx || UE || Li體系展現(xiàn)出優(yōu)異的存儲(chǔ)性能。在軟包級別的評估中，該體系組裝的300 mAh級電池實(shí)現(xiàn)了661 Wh/kg的突破性能量密度以及低自放電率。
相關(guān)研究成果以Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》(JACS)上。研究工作得到中國科學(xué)院青年人才計(jì)劃以及“懷柔科學(xué)城”清潔能源材料測試診斷與研發(fā)平臺(tái)的支持。
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