安全問題一直是電動汽車應(yīng)用中所面臨的重要挑戰(zhàn)，而研制與開發(fā)安全、高能量的二次電池正是發(fā)展電動汽車過程中急需解決的核心問題。鋰-硫電池近年來持續(xù)受到人們的廣泛關(guān)注。由于其較高的能量密度，較低的原料成本以及環(huán)境友好等特點，被業(yè)界認(rèn)為是最有潛力應(yīng)用于電動汽車的儲能電池體系。
鋰-硫電池現(xiàn)階段普遍采用的醚類電解液，其溶劑均具有沸點和閃點較低的缺陷，無法滿足電池在高溫下（> 55 oC）的工作需求；而電解液中的硝酸鋰添加劑，也為高溫電池的安全性增加了不確定因素。同時，高溫環(huán)境也會加速多硫化鋰在電池中的溶解問題，引發(fā)更為嚴(yán)重的“穿梭效應(yīng)”。這些問題會導(dǎo)致采用醚類電解液的鋰-硫電池在電動汽車的應(yīng)用中存在大量安全隱患，無法實現(xiàn)高能量鋰-硫電池的市場化應(yīng)用。
碳酸酯類電解液廣泛應(yīng)用于高溫鋰離子電池中，可以為鋰-硫電池在高溫工作時提供安全，穩(wěn)定的電解液環(huán)境。但由于多硫化鋰與碳酸酯溶劑的大量副反應(yīng)，大多數(shù)鋰-硫電池?zé)o法采用此類電解液。
因此，如何實現(xiàn)高溫鋰-硫電池的安全性卻是該領(lǐng)域研究中長期困擾的課題，這也成為鋰-硫電池能否應(yīng)用于電動汽車的關(guān)鍵。
針對高溫鋰-硫電池的安全問題，加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良院士團(tuán)隊聯(lián)合美國伯克利國家實驗室與加拿大光源中心，首次報道了利用分子層沉積薄膜技術(shù)（MLD）研發(fā)新型Alucone 鋁基高分子包覆材料應(yīng)用于硫基電極體系，可以使硫電極在碳酸酯類電解液中穩(wěn)定工作，為現(xiàn)階段研發(fā)的硫正極材料提供了一種普適而有效的表面修飾方法，為發(fā)展安全、穩(wěn)定的長壽命高溫鋰-硫電池提供了新的思路。
研究結(jié)果表明，這種高溫鋰-硫電池在55 oC下，充放電循環(huán)300次，其放電比容量仍可保持在570 mAh g-1, 其電池壽命與高溫循環(huán)性能均得到顯著提升。
圖1.分子層沉積alucone包覆示意圖及高溫鋰-硫電池的循環(huán)性能
圖2. 同步輻射吸收光譜揭示alucone 包覆層在鋰-硫電池中的工作機(jī)理
文章中還報道了采用多種同步輻射X-ray技術(shù)，研究揭示了分子層沉積薄膜在鋰-硫電池中的工作機(jī)理。通過研究發(fā)現(xiàn)，這層分子級的超薄包覆層可以鈍化硫電極表面，在避免了其與碳酸酯溶劑間發(fā)生副反應(yīng)的同時，仍允許鋰離子在包覆層中的自由穿梭，實現(xiàn)了安全碳酸酯電解液在高溫鋰-硫電池中的應(yīng)用。
未來，該團(tuán)隊將繼續(xù)致力于發(fā)展安全、可靠的鋰-硫電池，并結(jié)合同步輻射技術(shù)研究揭示其機(jī)理，從而促進(jìn)高能量鋰-硫電池大規(guī)模應(yīng)用。
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