现代汽车开发电池新材料 容量大幅提升

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最近，现代汽车公司的研究人员发现，砜基电解质可以有效地提高锂硫电池的容量和可逆容量保持率。在2014年美国汽车工程师学会世界大会上，现代汽车公司详细报道了上述新发现。与普通电解质相比，使用砜基电解质可以有效提高锂硫电池的容量，容量提高52.1%，达到715毫安时/克；可逆容量保持率从63.1%提高到72.6%。 作为一种能量密度超过锂离子电池的新材料电池，电池容量更大，装有该电池的电动汽车的纯电动续航里程将更长。锂硫电池系统的理论能量密度达到2600瓦时/千克，但其可逆容量保持率低是众所周知的问题。同时，锂硫电池还存在一些问题，如电解液中溶解的多硫化物(ps)和放电过程中阴极上产生的固体硫化锂等不溶性沉淀物。现代汽车公司的研究员shin等人说，锂硫电池的反应机理是负极金属锂在放电过程中失去电子而变成锂离子，正极硫与锂离子和电子反应生成多硫化物(多硫化物ps是一种含有多硫化物离子的化合物，其具体反应过程为s8 li2s8 li2s6 li2s4 li2s)，正负反应之间的电位差是锂硫电池提供的放电电压。在外加电压的作用下，锂硫电池的正极和负极之间的反应发生逆转，即充电过程，在此过程中发生可逆反应。在多硫化物的反应过程中，li2s6和li2s4可以溶解在电解液中。多硫化物在提高锂硫电池中硫的利用率，提高电池的可逆循环利用率方面起着重要作用。 醚溶剂因其良好的多硫化物溶解性和高化学稳定性而被认为是锂硫电池的最佳电解质选择。此外，溶解的多硫化物会引起氧化还原反应，这将降低电池的库仑效率，缩短可逆循环保留率，并导致自放电。因此，本研发工作的主要目的是开发一种全新的电解液，以减少氧化还原反应，提高电池的可逆循环保持率。 在现代汽车公司的研究过程中，研究人员使用了五组单醚电解质(二甲醚、二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚和二恶烷的混合物)、一组二元醚电解质(三甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚和二恶烷的混合物)和三组三元醚电解质(混合比为1∶1∶1、1∶1∶2和1∶1∶1∶1， 现代汽车公司研究人员实验中的锂硫电池采用硫阴极和锂金属箔阳极，两个电极之间使用聚乙烯隔膜。 锂硫电池的电化学实验在室温20℃下进行，工作电压控制在1.5 ~ 2.65伏之间。 在单醚电解质实验中，二甲醚二甲醚电解质体系的能量密度最高，达到878毫安时/克；二甘醇二甲醚二甲醚电解质体系的能量密度位居第二，达到857 mAh/g，但经过第六个工作循环后，二甲醚二甲醚电解质体系出现了非常明显的电池容量衰减现象；然而，二甘醇二甲醚的电解质体系在第二个工作循环后有非常明显的电池容量衰减现象。在第一个工作循环中，二氧六环电解质体系的能量密度达到1040毫安时/克，而在第十二个工作循环中，能量密度迅速下降到640毫安时/克。二氧六环电解质体系具有很高的初始能量密度，但其能量密度在第十二个工作循环后也表现出非常明显的电池容量衰减现象。tegdme电解质体系的初始能量密度较低，仅达到200 mAh/g，但在后续工作循环中没有明显的电池容量衰减现象。 在二元醚电解质的实验中，实验者通过将三甘醇二甲醚三甘醇和二恶烷以1∶1的比例混合来获得二元醚电解质。本实验的目的是综合利用三甘醇二甲醚的良好可逆循环保留率和二氧六环的高能量密度。实验表明，二元醚电解质体系的初始能量密度达到1057毫安时/克，20个工作循环后的能量密度为470毫安时/克。与单醚电解质相比，二元醚电解质表现出良好的可逆循环保留率。然而，在第一个工作循环后，这种二元醚电解质体系仍有明显的电池容量衰减现象。同时，经过20个工作循环后，该二元醚电解质体系的可逆循环保留率较低，仅达到44.5%。 在二元醚电解质的实验中，实验者还在锂硫电池的两个电极之间增加了一个玻璃换膜过滤器，以抑制锂硫电池电极周围的高阻抗。玻璃膜过滤器可以吸引电解液，因此添加玻璃膜过滤器可以有效降低电极周围电解液不足的可能性。通过使用玻璃膜过滤器，降低了二元醚电解质体系的初始能量密度，同时提高了可逆循环保留率，20个工作循环后能量密度可达605 mAh/g。 根据现代汽车公司研究人员的化学分析，砜基电解质可以在锂硫电池的阳极表面形成保护膜，并且可以通过阻止锂金属阳极和多硫化物之间的反应来减少多硫化物的沉淀。另外，在普通电解液的反应过程中，电池的电极表面会出现裂纹，保护膜可以有效减少电极表面裂纹的产生。 在三元醚电解液的实验中，现代汽车公司的研究小组采用环丁砜作为锂硫电池的电解液。将环丁砜、三甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚和二恶烷以不同的剂量混合，得到不同比例的电解质溶液。实验结果表明，比例为1: 1: 2的三甘醇二甲醚、二恶烷和环丁砜混合电解质具有最佳的可逆循环保留率，电池容量达到715 mAh/g；比例为1∶1∶1的三甘醇二甲醚、二恶烷和环丁砜的混合电解质次之，其电池容量为674 mAh/g，可逆循环保留率为68%；三甘醇二甲醚三甘醇二甲醚、二恶烷和环丁砜的比例为1: 1: 3的混合电解质在各方面性能最差。此外，在该三元醚电解质实验中，锂硫电池阳极表面裂纹现象明显减少。

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