超高エネルギー密度のリチウム硫黄一次電池：カリフラワーをベースに

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14949 (2015) この記事を引用

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7 オルトメトリック

メトリクスの詳細

これまでの文献ではほとんど報告されていなかったリチウム硫黄一次電池がこの研究で開発されました。 実際のエネルギー密度を最大化するために、リチウムイオンの輸送と硫黄の収容を促進する新しいカリフラワー状の階層的多孔質 C/S カソードが設計されました。 この種のカソードは、硫黄添加量 6 ～ 14 mg cm-2 で約 1300 mAh g-1 (S) の容量を放出でき、室温での 1 ヶ月間のテスト中に優れた保存安定性を示しました。 その結果、組み立てられたLi-Sソフトパッケージ電池は、エネルギー密度504Wh kg-1（654Wh L-1）を達成しました。これは、私たちが知る限りこれまでに報告された最高値です。 この研究は、実用化の大きな可能性を秘めた一次Li-S電池の開発への関心を呼び起こす可能性がある。

18 世紀にボルト電池が発明されて以来、高エネルギー密度と低コストの一次電池を開発する努力が止められることはありません 1,2。 重要な進歩の多くは 1970 年代から 1990 年代にかけて行われ、電子技術の同時発展、ポータブル電源に対する新たな需要、宇宙、軍事、環境改善プログラムへの支援によって促進されました。 特に近年では、酸素環境に適した Zn-O2、Mg-O2、Al-O2、Na-O2、Li-O2 系 3 など、高エネルギー密度の電池が大量に開発されています。 それに加えて、現在開発されているLi-SO2、Li-SOCl2、Li-MnO2、Li-CFxシステムなどの隔離された条件内の電池も海洋、宇宙などの用途向けに開発されています。

表 13、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 に示すように、開発中のこれらの一次電池は、実用的な高い比容量密度、優れた低温性能、または高い出力密度をすでに達成しています。 しかしながら、満足できない安全性、電圧ヒステリシス、かなりの電気化学的分極、または比較的高い材料コストなど、いくつかの特有の問題が依然として存在する。 それに加えて、一次電池のエネルギー密度の増加は、既存の電池システムが成熟し、新規および/または未試行の電池材料および化学物質の不足により、新しい高エネルギー電池の開発が制限されているため、過去10年間で漸減しました。 したがって、高エネルギー密度を有する新規な一次電池を開発することは依然として望ましいが、困難な課題である。

現在、Li-S 電池は世界中で大きな注目を集めています 14,15,16,17,18,19。 この電池システムは、極めて低コスト、極めて高い比エネルギー密度 (2600 Wh kg-1) および環境への優しさを備えており、これまでに開発された電池システムの中で最も有望なものの 1 つとなっています 20,21,22,23,24,25,26,27。 28、29、30、31。 しかし、Li-S電池は一般に二次電池として考えられており、一次電池としての大きな可能性はある程度無視されてきました。 実際、Li-S 電池のサイクル安定性は市販の Li-ion 電池と比較するとまだ満足のいくものではありませんが、初期放電比容量は非常に高く、理論値 32,33 にも達しており、主な用途に適しています。 もう一つの理由として、一次電池の開発中に、二次電池の Li-S 電池について、より多くの理論的および実践的な経験を蓄積することもできます。 一方、Li-S システムの再充電可能な性質により、以前に報告された一次電池よりも競争力が高まる可能性があります 34。 現在、Li-S 一次電池の開発における最も困難な課題は、他の商用電池システムと競合するために、実用的なエネルギー密度をさらに高めることです。

この目標を達成するには、実際の電池の指定 36 によれば、硫黄含有量と硫黄負荷量が高い (「2 高」35) 硫黄正極を設計することが非常に重要です。 しかし、オーム抵抗や電荷移動分極の増加により、硫黄（または活性材料）の利用を増やすことは困難な問題です37。 これを考慮すると、リチウムイオン輸送、硫黄分布および収容状態を改善するために、カソード全体（C/S 材料のみを除く）の多孔質構造をさらに最適化する必要があります 26、38、39、40。 しかし、硫黄粒子の絶縁性により、大量の電子伝導性材料（炭素など）をカソードに添加する必要があります23。 したがって、高性能 C/S 組成物の開発には多大な努力が払われてきましたが、「2 つの高」カソードについては依然としてほとんど報告されていませんでした。 グラフェンスポンジ-S36およびCNT-S紙41ベースのカソードは、別々に最大10 mg cm-2および6 mg cm-2の硫黄負荷を与えることができますが、商業的考慮に基づいてそれらを巻き付けタイプまたは積層タイプに組み立てるには、さらなる技術革新がまだ必要です。