Gao Liu：通過(guò)功能性界面設計而研發(fā)出的用于鋰硫電池的大面積穩定硫電極
圖為勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室Gao Liu
Gao Liu：我今天很感謝組委會(huì )的邀請，非常感謝大家.我在我們組里是做與能量?jì)Υ嫦嚓P(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。
粘結劑的工作我們做得的時(shí)間也比較長(cháng)，從2010年就開(kāi)始做功能粘結劑，而且我們組在這方面也是特別知名的，專(zhuān)門(mén)設計導電高分子的功能粘結劑，把硅的材料粘接在一起，在這個(gè)電極的設計里面，我們可以不用碳黑和碳納米管，唯一用的是導電高分子。
我們不是靠添加劑增加電極的導電性，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劑。第一代和第二代都是導電高分子，這個(gè)導電高分子的性能和一般的正常的導電高分子非常像。
第二代導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。
第三代粘結劑是根據我們第二代粘結劑的特點(diǎn)，讓第三代粘結劑可以更加容易做，而且讓第三代粘結劑可以加入不同的高分子材料。我們設計的理念是把第二代粘結劑的主鏈切成不同塊狀的結構，把它放在策略上，然后把它變成一個(gè)粘結劑，在這個(gè)粘結劑里面，用策略來(lái)導電。第三代粘結劑的好處是可以非常容易改變粘結劑的結構。
我們現在有一系列的粘結劑是給不同的硅材料設計的，而且它的功能非常強，我們現在有一些是專(zhuān)門(mén)為純硅的，有一些是為硅碳的。這一塊是我們做的關(guān)于硅的粘結劑和硅電極的設計。
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，我們在2000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)了解電極設計的方向。
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)特別基礎的，在20世紀40年代的一個(gè)理論，當高分子和碳黑結構混在一起的時(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)對它整體的性質(zhì)是有很大改變的。我們從這一點(diǎn)就擴展到三電極結構。
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)機會(huì )，來(lái)讓我介紹一下我們組對鋰硫電池這1、2年的工作。
我現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，都是因為我們看到了鋰硫電池有巨大的理論容量和能量密度這樣一個(gè)巨大潛力，由于它是石油提煉的負產(chǎn)物。具體的它的優(yōu)勢我就不多說(shuō)了。
這個(gè)是一個(gè)充放電的曲線(xiàn)圖，從它的原理上來(lái)講，它有一個(gè)非常顯著(zhù)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，這樣跟鋰金屬反應就會(huì )導致一個(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計電極結構是會(huì )影響它活性物質(zhì)的利用率的。
我們組在導電粘合劑這方面有比較多年的經(jīng)驗，所以我們認為在這樣一個(gè)鋰硫電池中，特別是它有大量的固液相變反應，我們就可以來(lái)做一些界面的調控。
前面一張講的是我們從原理上遇到的問(wèn)題，現在大家都在說(shuō)鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化，我們也對這個(gè)做了一個(gè)簡(jiǎn)單的總結，如果要實(shí)現鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化，我們需要解決的幾件事情，我們認為現在大部分的實(shí)驗室的成果非常好，但是他們主要依托于比較復雜的納米合成技術(shù)，這些技術(shù)在大規模的生產(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)于粘合劑設計，第二部分是電解液，一個(gè)高性能鋰硫電池的實(shí)現是非常重要的，同時(shí)我們也做了一些新興的電極的結構的設計，我們其實(shí)是在這些所有的過(guò)程中我們都希望能夠著(zhù)重強調我們的目標。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)現高性能。
第一部分是關(guān)于導電黏合劑的設計，這個(gè)是我們最開(kāi)始，應該是國際上率先用這種商用化的導電粘合劑來(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)導電粘合劑的性能跟傳統的這種非導電粘合劑還是有一個(gè)很大的提升的。另外一方面，我們設計了一系列的鋰硫電池的導電粘合劑。最突出的性能，現在最優(yōu)異的當然是劉老師帶著(zhù)研究組去做的一個(gè)設計的工作。
在這樣一個(gè)基礎上我們要做什么？我們希望對它的基理做一定的研究，我們希望能夠知道導電粘合劑在這個(gè)當中的作用。
我們利用我們組的導電粘合劑，比較豐富的這樣一個(gè)優(yōu)勢，我們做了一系列的實(shí)驗，我們發(fā)現硫化鋰跟多流化物會(huì )有一個(gè)比較強的吸附?，F在對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(mén)的事情。我們也希望通過(guò)我們的研究知道這個(gè)功能團究竟有多大的作用。于是我們對比了這樣兩種導電粘合劑，一個(gè)是有非常強的吸附能力的，一個(gè)是吸附能力相對較差的兩個(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)系就不詳細說(shuō)了。這個(gè)是我們對于導電基理的一個(gè)工作。我們有一個(gè)結論是這樣的，有這種特定功能化的導電粘合劑確實(shí)可以限制這種穿梭效應。
第二部分的工作，關(guān)于電解液的。我們認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)高負載鋰硫電池這樣的一個(gè)電極設計。我們主要是想實(shí)現這樣一個(gè)高負載和高硫含量的工作。我們在提高負載量的時(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)是我一直在強調的，我們希望用一個(gè)商用化可以實(shí)現的工藝。
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)是一項很有挑戰的工作，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)于導電粘結劑的問(wèn)題，在保證導電性較好的時(shí)候如何可以保證粘度不降低？
在PPT的前面，有導電劑和過(guò)分子之間關(guān)于反應的問(wèn)題，您能再詳細說(shuō)一下嗎？
張勇：你可以看到這個(gè)電極循環(huán)的變化，它的粘接型號確實(shí)不是很好，但是這不是我們做的，是我們買(mǎi)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)導電粘結劑對SEI互相之間的作用，你是在問(wèn)這個(gè)嗎？我們現在的想法是說(shuō)，當然我們用導電粘結劑來(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)粘結劑本身是導電的，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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