解析鋰硫電池的基礎技術

鋰硫電池基礎技術

在制定了減少溫室氣體研發戰略的《科技振興安排》(JST)的指導下，日本文部科學省正在推動優秀低碳技術(ALCA)的發展。2016年二月，項目開發領域之一新一代電池技術吹風會召開。日本東北大學和關西大學解析了旨在完成LIS電池的新基礎技術的發展。

一個強大的替代后鋰電池是LIS。目前正在開發幾項基本技術來完成LIS電池。其中之一是由日本東北大學(tohokuuniversity)原子和分子材料科學高級研修班(advancedworkshoponatomicandmolecularmaterialsscience)教授田茂(shigerutsuru)領導的團隊開發的固體電解質。它的電解質是復合氫化物，它在鋰電池上的應用是人們期待已久的。

鋰電池是以硫為正極材料，以鋰金屬為負極材料的電池。作為陰極材料的硫的理論容量密度約為1670mAh/g，是鋰電池常用三元材料的6倍以上。另一方面，作為正極材料的金屬鋰的理論容量密度為3861mAh/g，是鋰電池常用正極材料碳(372mAh/g)的10倍左右。其能量密度預計將遠遠高于目前的鋰電池。

而LIS電池的問題在于，假如鋰電池使用的是有機電解液，電池容量會隨著充放電周期的延長而顯著降低。電池充放電過程中出現的硫和鋰中間產物會溶解在電解液中，呈負極反應，導致充放電用硫的用量大幅度減少。

改變電解液或碳材料

正在考慮的策略之一是使用比液體更安全的固體電解質來預防硫的溶解。東北大學的研究小組正在開發可用于這種固體電解質的復合氫化物。

該團隊正在研究復雜的氫化物，因為它們在電池中使用時更穩定。在此之前，硫化物和氧化物作為固體電解質被廣泛研究。盡管有許多類型的離子電導率可以用于電池，但并沒有很多類型的離子電導率具有電池運行所需的穩定性。絡合氫化物是指由金屬陽離子M(Li+、Na+、Mg2+等)和絡合陰離子M'hn((BH4)-、(NH2)-、(AlH4)-、(AlH6)3-等組成的物質。在150℃時，熱分解并不容易。組成元件可由輕元素構成，只需在室溫下在單軸軸上加壓即可出現良好的電解液。但離子電導率低，操作溫度高。

例如，電流型電解質的離子電導率超過10-2s/cm(室溫)。硼氫化鋰(LiBH4)是一種復合氫化物，其離子電導率在390K(約120℃)下為2倍。在10-3s/cm以上，室溫下約為10-7s/cm(圖1、2)。通過碘離子取代部分BH4離子((BH4)-)，團隊將室溫下離子電導率提高到10-5~10-4s/cm左右。然而，于說，要達到今天鋰電池的能量密度和輸出密度水平，要提升到10-3s/cm左右。除了LiBH4，該團隊還在探索其他復雜的氫化物。Li2B12H12(約10-4s/cm,60c)和化合物如LiNH2和LiBH4也是候選。

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