現代汽車開發電池新材料 容量提升五成

最近，現代汽車公司的研究人員發現，砜基電解液可以有效提高鋰硫電池的容量和可逆容量保持率。在2014年美國汽車工程師學會世界大會上，現代汽車公司詳細報道了上述新發現。與普通電解質相比，使用砜基電解質可以有效提高鋰硫電池的容量，容量可提高52.1%至715mAh/g；可逆容量保留率從63.1%提高到72.6%。

鋰硫電池作為一種能量密度超過鋰離子電池的新材料電池，電池容量更大，搭載該電池的電動汽車的純電動巡航續航里程將更遠。鋰硫電池系統的理論能量密度達到2600 WHr/kg，但其可逆容量保持率低是一個眾所周知的問題。同時，鋰硫電池也存在一些問題，如多硫化物（PS）溶解在電解液中，放電過程中在陰極上產生固體硫化鋰和其他不溶性沉淀物。

現代汽車公司的Shin研究員等人表示：“鋰硫電池的反應機理是，負金屬鋰在放電過程中失去電子變成鋰離子，正硫與鋰離子和電子反應生成多硫化物（多硫化物PS是一種含有多硫化物離子的化合物，其中具體反應過程為S8→硫酸鋰8→硫酸鋰6→二硫酸鋰→Li2S），并且正極和負極之間的電勢差是由鋰硫電池提供的放電電壓。在外加電壓的作用下，鋰硫電池的陽極和陰極之間的反應發生逆轉，這就是充電過程，在充電過程中發生可逆反應。在多硫化物的反應過程中，Li2S6和Li2S4可以溶解在電解質中。多硫化物在提高鋰硫電池的硫利用率以提高電池的可逆循環利用率方面發揮著重要作用。

醚類溶劑因其良好的多硫化物溶解性和高化學穩定性而被認為是鋰硫電池的最佳電解質選擇。此外，溶解的多硫化物會引發氧化還原反應，降低電池的庫侖效率，縮短可逆循環保持率，并導致自放電。因此，本次研發工作的主要目的是開發一種全新的電解質，以減少氧化還原反應，提高電池的可逆循環保持率。"

在現代汽車公司的研究過程中，研究人員使用了五組單醚電解質（二甲醚DME、二甘醇二甲醚DEGDME、三甘醇三甘醇、三甘二醇二甲醚Tegmme和二惡烷DIOX），一組二元醚電解質（三乙二醇二甲醚Tegmme和二惡烷DIOX的混合物）和三組三元醚電解質

現代汽車公司研究人員試驗的鋰硫電池采用了硫陰極和鋰金屬箔陽極，兩個電極之間使用了聚乙烯隔膜。鋰硫電池的電化學實驗在20攝氏度的室溫下進行，工作電壓控制在1.5伏至2.65伏之間。

在單乙醚電解質的實驗中，DME電解質體系的能量密度最高，達到878mAh/g；二甘醇二甲醚DEGDME電解質體系的能量密度位居第二，也達到857mAh/g。。然而，在第六個工作循環后，DME電解質系統表現出非常明顯的電池容量衰減現象；

然而，二甘醇二甲醚DEGDME電解質體系在第二次工作循環后出現了非常明顯的電池容量衰減現象。二惡烷DIOX電解質體系的能量密度在第一個工作循環中達到1040mAh/g，在第12個工作循環迅速下降到640mAh/g。含有二惡烷的DIOX電解質體系具有非常高的初始能量密度。然而，在第12個工作循環之后，其能量密度也表現出非常明顯的電池容量衰減現象。TEGDME電解質系統的初始能量密度較低，僅達到200mAh/g，但在隨后的工作循環中沒有明顯的電池容量衰減。

在二元醚電解質的實驗中，實驗者通過將三甘醇二甲醚TEGDME和二惡烷DIOX以1∶1的比例混合來獲得二元醚電解液。本實驗的目的是綜合利用TEGDME良好的可逆循環保留率和二惡烷DIOX的高能量密度。實驗結果表明，二元醚電解質體系的初始能量密度達到1057mAh/g，經過20個工作循環后，能量密度為470mAh/g。與單乙醚電解質相比，二乙醚電解質表現出良好的可逆循環保留率。然而，在第一個工作循環之后，電池容量仍有明顯衰減，并且在20個工作循環后，二元醚電解質系統的可逆循環保留率較低，僅達到44.5%。

在二元醚電解質的實驗中，實驗人員還在鋰硫電池的兩個電極之間添加了玻璃膜過濾器，以抑制鋰硫電池電極周圍的高阻抗。玻璃膜過濾器可以吸引電解質，因此通過添加玻璃膜過濾器，可以有效降低電極周圍電解質短缺的可能性。通過使用玻璃膜過濾器，降低了二元醚電解質體系的初始能量密度，同時提高了可逆循環保持率，20個工作循環后其能量密度可達到605mAh/g。

根據現代汽車公司研究人員的化學分析，砜基電解質可以在鋰硫電池的陽極表面形成保護膜，并可以通過阻斷鋰金屬陽極與多硫化物之間的反應來減少多硫化物的沉淀。此外，在普通電解質的反應過程中，電池電極表面會出現裂紋，保護膜可以有效減少電極表面的裂紋。

在三元醚電解液實驗中，現代汽車公司課題組采用環丁砜作為其鋰硫電池電解液。將環丁砜與三甘醇二甲醚TEGDME和二惡烷混合，得到不同比例的電解質溶液。實驗結果表明，三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的比例為1∶1∶2的混合電解質具有最佳的可逆循環保持率，電池容量達到715mAh/g；第二種是三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的混合電解質，其電池容量為674mAh/g，可逆循環保留率為68%。三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的比例為1:1∶3的混合電解質在各方面的性能最差。此外，在三元醚電解質實驗中，鋰硫電池陽極的表面裂紋現象顯著減少。最近，現代汽車公司的研究人員發現，砜基電解液可以有效提高鋰硫電池的容量和可逆容量保持率。在2014年美國汽車工程師學會世界大會上，現代汽車公司詳細報道了上述新發現。與普通電解質相比，使用砜基電解質可以有效提高鋰硫電池的容量，容量可提高52.1%至715mAh/g；

可逆容量保留率從63.1%提高到72.6%。

鋰硫電池作為一種能量密度超過鋰離子電池的新材料電池，電池容量更大，搭載該電池的電動汽車的純電動巡航續航里程將更遠。鋰硫電池系統的理論能量密度達到2600 WHr/kg，但其可逆容量保持率低是一個眾所周知的問題。同時，鋰硫電池也存在一些問題，如多硫化物（PS）溶解在電解液中，放電過程中在陰極上產生固體硫化鋰和其他不溶性沉淀物。

現代汽車公司的Shin研究員等人表示：“鋰硫電池的反應機理是，負金屬鋰在放電過程中失去電子變成鋰離子，正硫與鋰離子和電子反應生成多硫化物（多硫化物PS是一種含有多硫化物離子的化合物，其中具體反應過程為S8→硫酸鋰8→硫酸鋰6→二硫酸鋰→Li2S），并且正極和負極之間的電勢差是由鋰硫電池提供的放電電壓。在外加電壓的作用下，鋰硫電池的陽極和陰極之間的反應發生逆轉，這就是充電過程，在充電過程中發生可逆反應。在多硫化物的反應過程中，Li2S6和Li2S4可以溶解在電解質中。多硫化物在提高鋰硫電池的硫利用率以提高電池的可逆循環利用率方面發揮著重要作用。

醚類溶劑因其良好的多硫化物溶解性和高化學穩定性而被認為是鋰硫電池的最佳電解質選擇。此外，溶解的多硫化物會引發氧化還原反應，降低電池的庫侖效率，縮短可逆循環保持率，并導致自放電。因此，本次研發工作的主要目的是開發一種全新的電解質，以減少氧化還原反應，提高電池的可逆循環保持率。"

在現代汽車公司的研究過程中，研究人員使用了五組單醚電解質（二甲醚DME、二甘醇二甲醚DEGDME、三甘醇三甘醇、三甘二醇二甲醚Tegmme和二惡烷DIOX），一組二元醚電解質（三乙二醇二甲醚Tegmme和二惡烷DIOX的混合物）和三組三元醚電解質

現代汽車公司研究人員試驗的鋰硫電池采用了硫陰極和鋰金屬箔陽極，兩個電極之間使用了聚乙烯隔膜。鋰硫電池的電化學實驗在20攝氏度的室溫下進行，工作電壓控制在1.5伏至2.65伏之間。

在單乙醚電解質的實驗中，DME電解質體系的能量密度最高，達到878mAh/g；二甘醇二甲醚DEGDME電解質體系的能量密度位居第二，也達到857mAh/g。。然而，在第六個工作循環后，DME電解質系統表現出非常明顯的電池容量衰減現象；

然而，二甘醇二甲醚DEGDME電解質體系在第二次工作循環后出現了非常明顯的電池容量衰減現象。二惡烷DIOX電解質體系的能量密度在第一個工作循環中達到1040mAh/g，在第12個工作循環迅速下降到640mAh/g。含有二惡烷的DIOX電解質體系具有非常高的初始能量密度。然而，在第12個工作循環之后，其能量密度也表現出非常明顯的電池容量衰減現象。TEGDME電解質系統的初始能量密度較低，僅達到200mAh/g，但在隨后的工作循環中沒有明顯的電池容量衰減。

在二元醚電解質的實驗中，實驗者通過將三甘醇二甲醚TEGDME和二惡烷DIOX以1∶1的比例混合來獲得二元醚電解液。本實驗的目的是綜合利用TEGDME良好的可逆循環保留率和二惡烷DIOX的高能量密度。實驗結果表明，二元醚電解質體系的初始能量密度達到1057mAh/g，經過20個工作循環后，能量密度為470mAh/g。與單乙醚電解質相比，二乙醚電解質表現出良好的可逆循環保留率。然而，在第一個工作循環之后，電池容量仍有明顯衰減，并且在20個工作循環后，二元醚電解質系統的可逆循環保留率較低，僅達到44.5%。

在二元醚電解質的實驗中，實驗人員還在鋰硫電池的兩個電極之間添加了玻璃膜過濾器，以抑制鋰硫電池電極周圍的高阻抗。玻璃膜過濾器可以吸引電解質，因此通過添加玻璃膜過濾器，可以有效降低電極周圍電解質短缺的可能性。通過使用玻璃膜過濾器，降低了二元醚電解質體系的初始能量密度，同時提高了可逆循環保持率，20個工作循環后其能量密度可達到605mAh/g。

根據現代汽車公司研究人員的化學分析，砜基電解質可以在鋰硫電池的陽極表面形成保護膜，并可以通過阻斷鋰金屬陽極與多硫化物之間的反應來減少多硫化物的沉淀。此外，在普通電解質的反應過程中，電池電極表面會出現裂紋，保護膜可以有效減少電極表面的裂紋。

在三元醚電解液實驗中，現代汽車公司課題組采用環丁砜作為其鋰硫電池電解液。將環丁砜與三甘醇二甲醚TEGDME和二惡烷混合，得到不同比例的電解質溶液。實驗結果表明，三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的比例為1∶1∶2的混合電解質具有最佳的可逆循環保持率，電池容量達到715mAh/g；第二種是三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的混合電解質，其電池容量為674mAh/g，可逆循環保留率為68%。三甘醇二甲醚TEGDME、二惡烷DIOX和環丁砜的比例為1:1∶3的混合電解質在各方面的性能最差。此外，在三元醚電解質實驗中，鋰硫電池陽極的表面裂紋現象顯著減少。

標簽：現代發現

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