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URC研发硅硫燃料电池架构提升锂离子电池性能

2017-12-26

中国电源产业网

导语：

据外媒报道，加州大学河滨分校（University of California, Riverside，URC）伯恩斯工程学院（Bourns College of Engineering）的研究人员研发了新技术，利用硫电极及硅电极制造了高性能的锂离子电池。

该款硅硫燃料电池（SSFC）架构逐步将受控纯锂离子整合到电池系统中，在C/10条件下，充放电250次后，其能量密度仍高达350 Wh/kg。

硫是一款非常具有吸引力的阴极材料，理论容量（theoretical capacity）为1675 mAh/g。然而，由于硫存在体积膨胀（volumetric expansion）、导电性不良等先天性缺陷，硫电极的应用发展较为迟缓。幸运的是，URC的研发人员发现了多种新方法缓解上述问题。这类产品方案的性能极具前景，但会导致硫周边发热。

目前的阳极材料通常选择硅，其理论容量高达4200 mAh/g，而硅则面临两大挑战，导电性不良及体积膨胀。为此，研究人员采用了纳米硅结构、导电剂（conductive additives）及粘合剂（binders）等方法，最终解决了上述问题，为燃料电池制备了硫阴极及硅阳极。

目前，研究人员利用硫化锂（lithium sulfide）或硅化锂等预锂化（pre-lithiated）材料，使燃料电池的能量密度高达600 Wh/kg。然而，这类燃料电池的充放电次数通常很短，一般不足50次，且该类材料还需要采用专用设备，在加工时也存在诸多限制条件。

为创建新架构的SSFC，该团队在传统燃料电池架构的技术上新增了一片锂箔（lithium foil），使锂箔能与集电器（current collector）发生接触，在充放电时将锂箔整合到燃料电池体系中，从而控制锂离子的嵌入量。

在半电池（half cells）中，将采用纯锂作为阳极材料，这将引起用户对枝状晶体生长（树突形成，dendrite formation）及锂腐蚀等安全性问题的担忧。在全电池（full-cell）模式下，可用硅来制作阳极，可缓解因纯锂阳极所引发的安全问题，同时确保燃料电池获得所需的高电量。

该方法使得受控的锂载荷可弥补固体电解质界面膜（SEI）形成及锂降解，提升燃料电池的循环寿命（cycle life）。此外，该电池还采用了交流阻抗（EIS）、循环伏安法（CV）及恒电流间歇滴定法（GITT）等多种方法。该研究将为未来的硅硫燃料电池的研发奠定基础。

该研究资金来自于UCR及Vantage Advanced Technologies公司，该大学的技术商业化办公室还为此申请了一项发明专利。

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