Gao Liu：通過功能性界面設(shè)計而研發(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家實驗室Gao Liu
Gao Liu：我今天很感謝組委會的邀請，非常感謝大家.我在我們組里是做與能量儲存相關(guān)的東西，我們做鋰離子電池、鋰硫電池，所以我今天會花很多時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間也比較長，從2010年就開始做功能粘結(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，在這個電極的設(shè)計里面，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，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。我們設(shè)計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，然后把它變成一個粘結(jié)劑，在這個粘結(jié)劑里面，用策略來導(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。
這一塊是10年了一個工作，剛才有幾位演講嘉賓都在講，這個電極里面我們放一點納米管、放一點碳黑，我們在2000年左右的時候，那個時候也有很多工作，但是那個時候沒有一個非常好的理論框架，從而讓我們來了解電極設(shè)計的方向。
這三種活性物質(zhì)，碳黑和高分子，這三個是最主要的東西。如果我們把兩個組分混在一起，碳黑和PVDF，實際上我們得不到一個非常均勻的體系，我們得到的是一個非常不均勻的體系。
當(dāng)你把不同的材料混在一起的時候，它并不是我們像一開始想象的，能夠均勻的分散，我們借助一個特別基礎(chǔ)的，在20世紀(jì)40年代的一個理論，當(dāng)高分子和碳黑結(jié)構(gòu)混在一起的時候，它會形成不同的高分子，有一些高分子會變得非常好，有一些會變得軟一些，這個對它整體的性質(zhì)是有很大改變的。我們從這一點就擴(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機(jī)會，來讓我介紹一下我們組對鋰硫電池這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始的出發(fā)點跟大家一樣，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)勢我就不多說了。
這個是一個充放電的曲線圖，從它的原理上來講，它有一個非常顯著的特點，同時也是我們需要去克服的一個問題，它的多流化物會溶解到電解液中，這樣跟鋰金屬反應(yīng)就會導(dǎo)致一個我們非常不希望看到的一個物質(zhì)。如果我們不能很好的設(shè)計電極結(jié)構(gòu)是會影響它活性物質(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，所以我們認(rèn)為在這樣一個鋰硫電池中，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題，現(xiàn)在大家都在說鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化，我們也對這個做了一個簡單的總結(jié)，如果要實現(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)在大部分的實驗室的成果非常好，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。
在早些時候，大概在1、2年前的時候，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個大的方向都有開展，第一個是關(guān)于粘合劑設(shè)計，第二部分是電解液，一個高性能鋰硫電池的實現(xiàn)是非常重要的，同時我們也做了一些新興的電極的結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們其實是在這些所有的過程中我們都希望能夠著重強(qiáng)調(diào)我們的目標(biāo)。我們希望能夠通過一些商用化的材料、商用化的手段來實現(xiàn)高性能。
第一部分是關(guān)于導(dǎo)電黏合劑的設(shè)計，這個是我們最開始，應(yīng)該是國際上率先用這種商用化的導(dǎo)電粘合劑來的，同時，我們也用了這種商用化的Micrometric sulfur方式。
可以看到，這個導(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很大的提升的。另外一方面，我們設(shè)計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設(shè)計的工作。
在這樣一個基礎(chǔ)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(dǎo)電粘合劑在這個當(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優(yōu)勢，我們做了一系列的實驗，我們發(fā)現(xiàn)硫化鋰跟多流化物會有一個比較強(qiáng)的吸附?，F(xiàn)在對于這種電極的功能化，也解決物理的吸附是一個非常熱門的事情。我們也希望通過我們的研究知道這個功能團(tuán)究竟有多大的作用。于是我們對比了這樣兩種導(dǎo)電粘合劑，一個是有非常強(qiáng)的吸附能力的，一個是吸附能力相對較差的兩個性能。
這個里面說明什么？這個是50個循環(huán)之后拆開電極片的，這時候大家會有一個爭論，你究竟是在什么情況下可以還原到固態(tài)流的一個狀態(tài)。
隨后我們也做了關(guān)于SEM的這種圖片，由于時間關(guān)系就不詳細(xì)說了。這個是我們對于導(dǎo)電基理的一個工作。我們有一個結(jié)論是這樣的，有這種特定功能化的導(dǎo)電粘合劑確實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匹配，會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)出來這樣一個問題。由于時間關(guān)系，我就不詳說了。
我們希望在不同的電極以及電極的優(yōu)化場合上，我們需要更合理的去配置這個電解液。
最后這個工作是關(guān)于我們的一個高負(fù)載鋰硫電池這樣的一個電極設(shè)計。我們主要是想實現(xiàn)這樣一個高負(fù)載和高硫含量的工作。我們在提高負(fù)載量的時候我們遇到了一個問題，你只是提高到3毫克的時候你的容量根本就放不出來，當(dāng)你拆開了電池的時候，它的問題是什么？你的電極片的表面會被一層厚的東西給覆蓋住。實際上你這些東西回來的通道已經(jīng)被堵塞了。
我簡單介紹一下我們的工作，這個是一個比較新的點子，它的優(yōu)勢在于什么？三點非常簡單的合成工藝，這個是我一直在強(qiáng)調(diào)的，我們希望用一個商用化可以實現(xiàn)的工藝。
1、求膜法；
2、掛圖；
3、犧牲層法（音）。這個文章還沒有出來，我也不太方便細(xì)說。
這個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。
這個是我們對80硫含量的一個表征，這個是我們的合作者。
主持人：還是做了一個很好的工作。鋰硫電池確實是一項很有挑戰(zhàn)的工作，也有很多的問題，這個問題需要解決的難度也很大。
這個東西研究了幾十年了，最大的問題是什么？鋰金屬電池的問題，孔的堵塞問題。
在座的可以提1到2個問題。
提問：教授您好！我想提的問題是關(guān)于導(dǎo)電粘結(jié)劑的問題，在保證導(dǎo)電性較好的時候如何可以保證粘度不降低？
在PPT的前面，有導(dǎo)電劑和過分子之間關(guān)于反應(yīng)的問題，您能再詳細(xì)說一下嗎？
張勇：你可以看到這個電極循環(huán)的變化，它的粘接型號確實不是很好，但是這不是我們做的，是我們買的，它的粘接性不好，同時也沒有一個非常好的東西。
你在問導(dǎo)電粘結(jié)劑對SEI互相之間的作用，你是在問這個嗎？我們現(xiàn)在的想法是說，當(dāng)然我們用導(dǎo)電粘結(jié)劑來聯(lián)接硅的時候，它的各方面性能都會好很多。
我們的想法是什么？這個粘結(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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