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苗力孝博士:锂硫电池或将替代三元锂电池成未来锂电领域新势头

当前,全球新能源车市场进入蓬勃发展的关键时期,锂电池产业链因此快速成熟。2017年3月份,国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》(以下简称“方案”),方案中特别强调“鼓励高等院校、研究机构、重点企业等协同开展新体系动力电池产品的研发创新,积极推动锂硫电池、金属空气电池、固态电池等新体系电池的研究和工程化开发”。为了促进动力电池技术的发展,第32届全国化学与物理电源学术年会于2017年10月28-29日在武汉举行。桑顿新能源研发部总经理苗力孝博士应邀出席会议并围绕锂硫电池的产业化做主题报告。

苗力孝博士,桑顿新能源研发部总经理,师从我国锂硫电池的开拓者杨裕生院士,从事锂硫电池研究近七年,在锂硫电池实用化方面取得很大的研究成果。

 

 

面对愈演愈烈的动力电池发展大趋势,我国通过政策的引导和扶持已经成为全球最大的新能源汽车市场。而根据国家四部委联合颁布的方案指出:力电池就是电动汽车的心脏,是新能源汽车产业发展的关键。虽然我国动力电池产业在经过多年发展取得很大进步,但是目前动力电池产品能量密度和成本仍然难以满足新能源汽车推广普及需求。基于政策的推动和动力电池技术发展,在苗力孝看来,锂电公司需要突破锂离子电池的限制,及时布局探索锂硫电池的研发已刻不容缓,锂硫电池前景可期。

 

他表示,目前备受热捧的以三元材料为正极的锂离子电池,其能量密度在未来一到两年将接近理论值,难以超过350 Wh/kg,而要制造400 Wh/kg以上的二次电池,则需要开发新的锂电池体系,也被称为后锂电池时代;其中锂硫电池体系或将崛起,为锂电领域的发展和探索提供更多思路和可能。

 

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。利用硫作为正极材料的锂硫电池,硫的理论比容量和电池理论比能量分别达到了1675 mAh/g 和 2600Wh/kg,远高于目前商业化的锂离子电池。单质硫在地球中储量丰富,并且石油冶炼的副产物就能提供丰富的硫磺,因此硫磺的价格非常低,仅1000元/吨,相比锂离子正极原料碳酸锂每吨高达16万元以上,其原料价格相差160倍以上。因此苗力孝博士认为,以硫磺做正极的锂硫电池是一种非常有前景的锂电池。另外,因为锂硫电池正极为单质硫和碳,负极为金属锂组成单一,硫极易升华,简单的加热就可以将正极中硫进行回收,未来废旧锂硫电池的回收再利用相对简单,成本低;而以过渡金属氧化物为正极的锂离子电池回收则工艺复杂,要回收正极材料中贵重金属,目前无论是高温煅烧法还是湿法的酸洗,不但能耗高、难度大、还容易造成更严重的二次污染。

 

 

近年来,国内外各大高校研究所与材料和电化学相关的实验室基本都开展了锂硫电池的研发。其中国外的锂硫电池研发公司:OXIS和SION POWER一直在开展锂硫电池的研发。其中SION POWER公司在2010年将锂硫电池应用于大型无人机,打破了三项无人机飞行世界记录:飞行最高2万米以上、滞空时间最长(14天)、工作温度最低(-75℃)。而目前锂离子电池是无法实现让无人机在高空低温环境下长时间滞空。考虑到锂硫电池的安全性目前还无法完全彻底解决,因此,锂硫电池未来将首先应用与无人机领域,而未来无人机的应用领域也非常广泛。

 

尽管锂硫电池的研发目前受到了诸多企业的关注,但国内研发团队大多起步在2011年以后,进入锂硫电池产业化研发的仅防化研究院、中科院、国防科大等极少数几家,另外推广研发锂硫电池产业化也面临着一些亟待解决的问题。苗力孝直言,制约锂硫电池产业化的四个主要瓶颈问题:目前正极单质硫不导电的问题已经基本解决;放电中间产物多璃子溶解扩散也得到了缓解;硫放电后体积膨胀导致正极结构破坏也得到了抑制;而以金属锂做负极,导致的多次充放电循环后锂的粉化,使得电池寿命缩短和存在的安全隐患问题成了锂硫电池产业化道路最后要冲破的堡垒。

 

目前,国内锂硫电池的发展也已经取得了很大的进步,根据数据显示,尽管目前高能量密度锂硫电池的循环寿命还很难超过300次,但低能量密度(220Wh/kg)的锂硫电池循环寿命可达1000次以上,高能量密度的锂硫电池可以达到500 Wh/kg以上(目前国内报道过最高的可达900 Wh/kg),几乎是锂离子的3~5倍。“尽管锂硫电池在真正的实用化过程中还存在诸多问题,但我相信它依然是最有可能的下一代高能量密度二次电池,未来,锂硫电池将对以三元为代表的动力锂电池市场造成很大冲击。”苗力孝乐观地说。

 

《中国制造2025》提出:“继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展,掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术,提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力。”苗力孝直言,当前在国家政策利好以及技术发展的驱动下,新能源企业当务之急是需要加大研发投入力度,加速攻克和突破锂负极的技术难关,以避免现在锂离子电池正极材料面临的核心技术被国外占领的尴尬;此外也正因为锂硫电池的产业化研发尚处于起步阶段,才是我国新能源企业抢占先机获取未来锂硫电池话语权的最佳时期。

 

本文转自“桑顿新能源”微信公众号

 

 

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