Gao Liu：通過(guò)功能性界面設(shè)計(jì)而研發(fā)出的用于鋰硫電池的大面積穩(wěn)定硫電極
圖為勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Gao Liu
Gao Liu：我今天很感謝組委會(huì)的邀請(qǐng)，非常感謝大家.我在我們組里是做與能量?jī)?chǔ)存相關(guān)的東西，我們做鋰離子電池、鋰硫電池，所以我今天會(huì)花很多時(shí)間跟大家講一講我們組做的鋰硫電池的一些相關(guān)情況。
粘結(jié)劑的工作我們做得的時(shí)間也比較長(zhǎng)，從2010年就開(kāi)始做功能粘結(jié)劑，而且我們組在這方面也是特別知名的，專門設(shè)計(jì)導(dǎo)電高分子的功能粘結(jié)劑，把硅的材料粘接在一起，在這個(gè)電極的設(shè)計(jì)里面，我們可以不用碳黑和碳納米管，唯一用的是導(dǎo)電高分子。
我們不是靠添加劑增加電極的導(dǎo)電性，而是靠高分子，同時(shí)也改變了ACI形成的基理。
在這方面我不想講特別多，我們只是給大家看一下我們這幾年做的一些工作，我們一共做了三代功能高分子的粘結(jié)劑。第一代和第二代都是導(dǎo)電高分子，這個(gè)導(dǎo)電高分子的性能和一般的正常的導(dǎo)電高分子非常像。
第二代導(dǎo)電劑增加了鋰離子的傳輸速度，所以這個(gè)鋰離子的電阻明顯的降低了。
第三代粘結(jié)劑是根據(jù)我們第二代粘結(jié)劑的特點(diǎn)，讓第三代粘結(jié)劑可以更加容易做，而且讓第三代粘結(jié)劑可以加入不同的高分子材料。我們?cè)O(shè)計(jì)的理念是把第二代粘結(jié)劑的主鏈切成不同塊狀的結(jié)構(gòu)，把它放在策略上，然后把它變成一個(gè)粘結(jié)劑，在這個(gè)粘結(jié)劑里面，用策略來(lái)導(dǎo)電。第三代粘結(jié)劑的好處是可以非常容易改變粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)。
我們現(xiàn)在有一系列的粘結(jié)劑是給不同的硅材料設(shè)計(jì)的，而且它的功能非常強(qiáng)，我們現(xiàn)在有一些是專門為純硅的，有一些是為硅碳的。這一塊是我們做的關(guān)于硅的粘結(jié)劑和硅電極的設(shè)計(jì)。
這一塊是10年了一個(gè)工作，剛才有幾位演講嘉賓都在講，這個(gè)電極里面我們放一點(diǎn)納米管、放一點(diǎn)碳黑，我們?cè)?000年左右的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候也有很多工作，但是那個(gè)時(shí)候沒(méi)有一個(gè)非常好的理論框架，從而讓我們來(lái)了解電極設(shè)計(jì)的方向。
這三種活性物質(zhì)，碳黑和高分子，這三個(gè)是最主要的東西。如果我們把兩個(gè)組分混在一起，碳黑和PVDF，實(shí)際上我們得不到一個(gè)非常均勻的體系，我們得到的是一個(gè)非常不均勻的體系。
當(dāng)你把不同的材料混在一起的時(shí)候，它并不是我們像一開(kāi)始想象的，能夠均勻的分散，我們借助一個(gè)特別基礎(chǔ)的，在20世紀(jì)40年代的一個(gè)理論，當(dāng)高分子和碳黑結(jié)構(gòu)混在一起的時(shí)候，它會(huì)形成不同的高分子，有一些高分子會(huì)變得非常好，有一些會(huì)變得軟一些，這個(gè)對(duì)它整體的性質(zhì)是有很大改變的。我們從這一點(diǎn)就擴(kuò)展到三電極結(jié)構(gòu)。
我這一部分就是介紹我們組里的工作，下一塊是關(guān)于鋰硫電池，是我們組最近一兩年的工作。
Gao Liu課題組另一工作人員：非常感謝劉老師給我這樣一個(gè)機(jī)會(huì)，來(lái)讓我介紹一下我們組對(duì)鋰硫電池這1、2年的工作。
我現(xiàn)在任職于工信部電子5所，我們做鋰硫電池最開(kāi)始的出發(fā)點(diǎn)跟大家一樣，都是因?yàn)槲覀兛吹搅虽嚵螂姵赜芯薮蟮睦碚撊萘亢湍芰棵芏冗@樣一個(gè)巨大潛力，由于它是石油提煉的負(fù)產(chǎn)物。具體的它的優(yōu)勢(shì)我就不多說(shuō)了。
這個(gè)是一個(gè)充放電的曲線圖，從它的原理上來(lái)講，它有一個(gè)非常顯著的特點(diǎn)，同時(shí)也是我們需要去克服的一個(gè)問(wèn)題，它的多流化物會(huì)溶解到電解液中，這樣跟鋰金屬反應(yīng)就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)我們非常不希望看到的一個(gè)物質(zhì)。如果我們不能很好的設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)是會(huì)影響它活性物質(zhì)的利用率的。
我們組在導(dǎo)電粘合劑這方面有比較多年的經(jīng)驗(yàn)，所以我們認(rèn)為在這樣一個(gè)鋰硫電池中，特別是它有大量的固液相變反應(yīng)，我們就可以來(lái)做一些界面的調(diào)控。
前面一張講的是我們從原理上遇到的問(wèn)題，現(xiàn)在大家都在說(shuō)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化，我們也對(duì)這個(gè)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)，如果要實(shí)現(xiàn)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化，我們需要解決的幾件事情，我們認(rèn)為現(xiàn)在大部分的實(shí)驗(yàn)室的成果非常好，但是他們主要依托于比較復(fù)雜的納米合成技術(shù)，這些技術(shù)在大規(guī)模的生產(chǎn)中一方面成本比較高，另一方面是不適合于大規(guī)模生產(chǎn)的方式。
在早些時(shí)候，大概在1、2年前的時(shí)候，所有鋰硫電池的極片的面負(fù)載量都是必須低的，但是是在1毫克左右。
下面進(jìn)入到我們組具體的研究工作，我們組的研究工作大概在3個(gè)大的方向都有開(kāi)展，第一個(gè)是關(guān)于粘合劑設(shè)計(jì)，第二部分是電解液，一個(gè)高性能鋰硫電池的實(shí)現(xiàn)是非常重要的，同時(shí)我們也做了一些新興的電極的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，我們其實(shí)是在這些所有的過(guò)程中我們都希望能夠著重強(qiáng)調(diào)我們的目標(biāo)。我們希望能夠通過(guò)一些商用化的材料、商用化的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能。
第一部分是關(guān)于導(dǎo)電黏合劑的設(shè)計(jì)，這個(gè)是我們最開(kāi)始，應(yīng)該是國(guó)際上率先用這種商用化的導(dǎo)電粘合劑來(lái)的，同時(shí)，我們也用了這種商用化的Micrometric sulfur方式。
可以看到，這個(gè)導(dǎo)電粘合劑的性能跟傳統(tǒng)的這種非導(dǎo)電粘合劑還是有一個(gè)很大的提升的。另外一方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列的鋰硫電池的導(dǎo)電粘合劑。最突出的性能，現(xiàn)在最優(yōu)異的當(dāng)然是劉老師帶著研究組去做的一個(gè)設(shè)計(jì)的工作。
在這樣一個(gè)基礎(chǔ)上我們要做什么？我們希望對(duì)它的基理做一定的研究，我們希望能夠知道導(dǎo)電粘合劑在這個(gè)當(dāng)中的作用。
我們利用我們組的導(dǎo)電粘合劑，比較豐富的這樣一個(gè)優(yōu)勢(shì)，我們做了一系列的實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)硫化鋰跟多流化物會(huì)有一個(gè)比較強(qiáng)的吸附?，F(xiàn)在對(duì)于這種電極的功能化，也解決物理的吸附是一個(gè)非常熱門的事情。我們也希望通過(guò)我們的研究知道這個(gè)功能團(tuán)究竟有多大的作用。于是我們對(duì)比了這樣兩種導(dǎo)電粘合劑，一個(gè)是有非常強(qiáng)的吸附能力的，一個(gè)是吸附能力相對(duì)較差的兩個(gè)性能。
這個(gè)里面說(shuō)明什么？這個(gè)是50個(gè)循環(huán)之后拆開(kāi)電極片的，這時(shí)候大家會(huì)有一個(gè)爭(zhēng)論，你究竟是在什么情況下可以還原到固態(tài)流的一個(gè)狀態(tài)。
隨后我們也做了關(guān)于SEM的這種圖片，由于時(shí)間關(guān)系就不詳細(xì)說(shuō)了。這個(gè)是我們對(duì)于導(dǎo)電基理的一個(gè)工作。我們有一個(gè)結(jié)論是這樣的，有這種特定功能化的導(dǎo)電粘合劑確實(shí)可以限制這種穿梭效應(yīng)。
第二部分的工作，關(guān)于電解液的。我們認(rèn)為這種極片跟電解液這樣一個(gè)匹配，會(huì)涉及到你的電解液是不是可以把極片所有的性能都體現(xiàn)出來(lái)這樣一個(gè)問(wèn)題。由于時(shí)間關(guān)系，我就不詳說(shuō)了。
我們希望在不同的電極以及電極的優(yōu)化場(chǎng)合上，我們需要更合理的去配置這個(gè)電解液。
最后這個(gè)工作是關(guān)于我們的一個(gè)高負(fù)載鋰硫電池這樣的一個(gè)電極設(shè)計(jì)。我們主要是想實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)高負(fù)載和高硫含量的工作。我們?cè)谔岣哓?fù)載量的時(shí)候我們遇到了一個(gè)問(wèn)題，你只是提高到3毫克的時(shí)候你的容量根本就放不出來(lái)，當(dāng)你拆開(kāi)了電池的時(shí)候，它的問(wèn)題是什么？你的電極片的表面會(huì)被一層厚的東西給覆蓋住。實(shí)際上你這些東西回來(lái)的通道已經(jīng)被堵塞了。
我簡(jiǎn)單介紹一下我們的工作，這個(gè)是一個(gè)比較新的點(diǎn)子，它的優(yōu)勢(shì)在于什么？三點(diǎn)非常簡(jiǎn)單的合成工藝，這個(gè)是我一直在強(qiáng)調(diào)的，我們希望用一個(gè)商用化可以實(shí)現(xiàn)的工藝。
1、求膜法；
2、掛圖；
3、犧牲層法（音）。這個(gè)文章還沒(méi)有出來(lái)，我也不太方便細(xì)說(shuō)。
這個(gè)東西是跟所有的電極一樣，是可以大尺度的生產(chǎn)的，大尺度的去做，而且均勻性非常好。
這個(gè)是我們對(duì)80硫含量的一個(gè)表征，這個(gè)是我們的合作者。
主持人：還是做了一個(gè)很好的工作。鋰硫電池確實(shí)是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)的工作，也有很多的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題需要解決的難度也很大。
這個(gè)東西研究了幾十年了，最大的問(wèn)題是什么？鋰金屬電池的問(wèn)題，孔的堵塞問(wèn)題。
在座的可以提1到2個(gè)問(wèn)題。
提問(wèn)：教授您好！我想提的問(wèn)題是關(guān)于導(dǎo)電粘結(jié)劑的問(wèn)題，在保證導(dǎo)電性較好的時(shí)候如何可以保證粘度不降低？
在PPT的前面，有導(dǎo)電劑和過(guò)分子之間關(guān)于反應(yīng)的問(wèn)題，您能再詳細(xì)說(shuō)一下嗎？
張勇：你可以看到這個(gè)電極循環(huán)的變化，它的粘接型號(hào)確實(shí)不是很好，但是這不是我們做的，是我們買的，它的粘接性不好，同時(shí)也沒(méi)有一個(gè)非常好的東西。
你在問(wèn)導(dǎo)電粘結(jié)劑對(duì)SEI互相之間的作用，你是在問(wèn)這個(gè)嗎？我們現(xiàn)在的想法是說(shuō)，當(dāng)然我們用導(dǎo)電粘結(jié)劑來(lái)聯(lián)接硅的時(shí)候，它的各方面性能都會(huì)好很多。
我們的想法是什么？這個(gè)粘結(jié)劑本身是導(dǎo)電的，所以它的SEI的形成并不是在硅的表面，所以這樣形成的基理和硅是不一樣的，具體的影響我們還在研究。
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