URC研發(fā)硅硫燃料電池架構 提升鋰離子電池性能

據(jù)外媒報道，加州大學河濱分校（University of California， Riverside，URC）伯恩斯工程學院（Bourns College of Engineering）的研究人員研發(fā)了新技術，利用硫電極及硅電極制造了高性能的鋰離子電池。

該款硅硫燃料電池（SSFC）架構逐步將受控純鋰離子整合到電池系統(tǒng)中，在C／10條件下，充放電250次后，其能量密度仍高達350 Wh／kg。

硫是一款非常具有吸引力的陰極材料，理論容量（theoretical capacity）為1675 mAh／g。然而，由于硫存在體積膨脹（volumetric expansion）、導電性不良等先天性缺陷，硫電極的應用發(fā)展較為遲緩。幸運的是，URC的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了多種新方法緩解上述問題。這類產(chǎn)品方案的性能極具前景，但會導致硫周邊發(fā)熱。

目前的陽極材料通常選擇硅，其理論容量高達4200 mAh／g，而硅則面臨兩大挑戰(zhàn)，導電性不良及體積膨脹。為此，研究人員采用了納米硅結構、導電劑（conductive additives）及粘合劑（binders）等方法，最終解決了上述問題，為燃料電池制備了硫陰極及硅陽極。

目前，研究人員利用硫化鋰（lithium sulfide）或硅化鋰等預鋰化（pre－lithiated）材料，使燃料電池的能量密度高達600?Wh／kg。然而，這類燃料電池的充放電次數(shù)通常很短，一般不足50次，且該類材料還需要采用專用設備，在加工時也存在諸多限制條件。

為創(chuàng)建新架構的SSFC，該團隊在傳統(tǒng)燃料電池架構的技術上新增了一片鋰箔（lithium foil），使鋰箔能與集電器（current collector）發(fā)生接觸，在充放電時將鋰箔整合到燃料電池體系中，從而控制鋰離子的嵌入量。

在半電池（half cells）中，將采用純鋰作為陽極材料，這將引起用戶對枝狀晶體生長（樹突形成，dendrite formation）及鋰腐蝕等安全性問題的擔憂。在全電池（full－cell）模式下，可用硅來制作陽極，可緩解因純鋰陽極所引發(fā)的安全問題，同時確保燃料電池獲得所需的高電量。

該方法使得受控的鋰載荷可彌補固體電解質界面膜（SEI）形成及鋰降解，提升燃料電池的循環(huán)壽命（cycle life）。此外，該電池還采用了交流阻抗（EIS）、循環(huán)伏安法（CV）及恒電流間歇滴定法（GITT）等多種方法。該研究將為未來的硅硫燃料電池的研發(fā)奠定基礎。

該研究資金來自于UCR及Vantage Advanced Technologies公司，該大學的技術商業(yè)化辦公室還為此申請了一項發(fā)明專利。