现代汽车开发电池新材料 容量提升五成

最近，现代汽车公司的研究人员发现，砜基电解液可以有效提高锂硫电池的容量和可逆容量保持率。在2014年美国汽车工程师学会世界大会上，现代汽车公司详细报道了上述新发现。与普通电解质相比，使用砜基电解质可以有效提高锂硫电池的容量，容量可提高52.1%至715mAh/g；可逆容量保留率从63.1%提高到72.6%。

锂硫电池作为一种能量密度超过锂离子电池的新材料电池，电池容量更大，搭载该电池的电动汽车的纯电动巡航续航里程将更远。锂硫电池系统的理论能量密度达到2600 WHr/kg，但其可逆容量保持率低是一个众所周知的问题。同时，锂硫电池也存在一些问题，如多硫化物（PS）溶解在电解液中，放电过程中在阴极上产生固体硫化锂和其他不溶性沉淀物。

现代汽车公司的Shin研究员等人表示：“锂硫电池的反应机理是，负金属锂在放电过程中失去电子变成锂离子，正硫与锂离子和电子反应生成多硫化物（多硫化物PS是一种含有多硫化物离子的化合物，其中具体反应过程为S8→硫酸锂8→硫酸锂6→二硫酸锂→Li2S），并且正极和负极之间的电势差是由锂硫电池提供的放电电压。在外加电压的作用下，锂硫电池的阳极和阴极之间的反应发生逆转，这就是充电过程，在充电过程中发生可逆反应。在多硫化物的反应过程中，Li2S6和Li2S4可以溶解在电解质中。多硫化物在提高锂硫电池的硫利用率以提高电池的可逆循环利用率方面发挥着重要作用。

醚类溶剂因其良好的多硫化物溶解性和高化学稳定性而被认为是锂硫电池的最佳电解质选择。此外，溶解的多硫化物会引发氧化还原反应，降低电池的库仑效率，缩短可逆循环保持率，并导致自放电。因此，本次研发工作的主要目的是开发一种全新的电解质，以减少氧化还原反应，提高电池的可逆循环保持率。"

在现代汽车公司的研究过程中，研究人员使用了五组单醚电解质（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和二恶烷DIOX），一组二元醚电解质（三乙二醇二甲醚Tegmme和二恶烷DIOX的混合物）和三组三元醚电解质

现代汽车公司研究人员试验的锂硫电池采用了硫阴极和锂金属箔阳极，两个电极之间使用了聚乙烯隔膜。锂硫电池的电化学实验在20摄氏度的室温下进行，工作电压控制在1.5伏至2.65伏之间。

在单乙醚电解质的实验中，DME电解质体系的能量密度最高，达到878mAh/g；二甘醇二甲醚DEGDME电解质体系的能量密度位居第二，也达到857mAh/g。。然而，在第六个工作循环后，DME电解质系统表现出非常明显的电池容量衰减现象；

然而，二甘醇二甲醚DEGDME电解质体系在第二次工作循环后出现了非常明显的电池容量衰减现象。二恶烷DIOX电解质体系的能量密度在第一个工作循环中达到1040mAh/g，在第12个工作循环迅速下降到640mAh/g。含有二恶烷的DIOX电解质体系具有非常高的初始能量密度。然而，在第12个工作循环之后，其能量密度也表现出非常明显的电池容量衰减现象。TEGDME电解质系统的初始能量密度较低，仅达到200mAh/g，但在随后的工作循环中没有明显的电池容量衰减。

在二元醚电解质的实验中，实验者通过将三甘醇二甲醚TEGDME和二恶烷DIOX以1∶1的比例混合来获得二元醚电解液。本实验的目的是综合利用TEGDME良好的可逆循环保留率和二恶烷DIOX的高能量密度。实验结果表明，二元醚电解质体系的初始能量密度达到1057mAh/g，经过20个工作循环后，能量密度为470mAh/g。与单乙醚电解质相比，二乙醚电解质表现出良好的可逆循环保留率。然而，在第一个工作循环之后，电池容量仍有明显衰减，并且在20个工作循环后，二元醚电解质系统的可逆循环保留率较低，仅达到44.5%。

在二元醚电解质的实验中，实验人员还在锂硫电池的两个电极之间添加了玻璃膜过滤器，以抑制锂硫电池电极周围的高阻抗。玻璃膜过滤器可以吸引电解质，因此通过添加玻璃膜过滤器，可以有效降低电极周围电解质短缺的可能性。通过使用玻璃膜过滤器，降低了二元醚电解质体系的初始能量密度，同时提高了可逆循环保持率，20个工作循环后其能量密度可达到605mAh/g。

根据现代汽车公司研究人员的化学分析，砜基电解质可以在锂硫电池的阳极表面形成保护膜，并可以通过阻断锂金属阳极与多硫化物之间的反应来减少多硫化物的沉淀。此外，在普通电解质的反应过程中，电池电极表面会出现裂纹，保护膜可以有效减少电极表面的裂纹。

在三元醚电解液实验中，现代汽车公司课题组采用环丁砜作为其锂硫电池电解液。将环丁砜与三甘醇二甲醚TEGDME和二恶烷混合，得到不同比例的电解质溶液。实验结果表明，三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的比例为1∶1∶2的混合电解质具有最佳的可逆循环保持率，电池容量达到715mAh/g；第二种是三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的混合电解质，其电池容量为674mAh/g，可逆循环保留率为68%。三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的比例为1:1∶3的混合电解质在各方面的性能最差。此外，在三元醚电解质实验中，锂硫电池阳极的表面裂纹现象显著减少。最近，现代汽车公司的研究人员发现，砜基电解液可以有效提高锂硫电池的容量和可逆容量保持率。在2014年美国汽车工程师学会世界大会上，现代汽车公司详细报道了上述新发现。与普通电解质相比，使用砜基电解质可以有效提高锂硫电池的容量，容量可提高52.1%至715mAh/g；

可逆容量保留率从63.1%提高到72.6%。

锂硫电池作为一种能量密度超过锂离子电池的新材料电池，电池容量更大，搭载该电池的电动汽车的纯电动巡航续航里程将更远。锂硫电池系统的理论能量密度达到2600 WHr/kg，但其可逆容量保持率低是一个众所周知的问题。同时，锂硫电池也存在一些问题，如多硫化物（PS）溶解在电解液中，放电过程中在阴极上产生固体硫化锂和其他不溶性沉淀物。

现代汽车公司的Shin研究员等人表示：“锂硫电池的反应机理是，负金属锂在放电过程中失去电子变成锂离子，正硫与锂离子和电子反应生成多硫化物（多硫化物PS是一种含有多硫化物离子的化合物，其中具体反应过程为S8→硫酸锂8→硫酸锂6→二硫酸锂→Li2S），并且正极和负极之间的电势差是由锂硫电池提供的放电电压。在外加电压的作用下，锂硫电池的阳极和阴极之间的反应发生逆转，这就是充电过程，在充电过程中发生可逆反应。在多硫化物的反应过程中，Li2S6和Li2S4可以溶解在电解质中。多硫化物在提高锂硫电池的硫利用率以提高电池的可逆循环利用率方面发挥着重要作用。

醚类溶剂因其良好的多硫化物溶解性和高化学稳定性而被认为是锂硫电池的最佳电解质选择。此外，溶解的多硫化物会引发氧化还原反应，降低电池的库仑效率，缩短可逆循环保持率，并导致自放电。因此，本次研发工作的主要目的是开发一种全新的电解质，以减少氧化还原反应，提高电池的可逆循环保持率。"

在现代汽车公司的研究过程中，研究人员使用了五组单醚电解质（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和二恶烷DIOX），一组二元醚电解质（三乙二醇二甲醚Tegmme和二恶烷DIOX的混合物）和三组三元醚电解质

现代汽车公司研究人员试验的锂硫电池采用了硫阴极和锂金属箔阳极，两个电极之间使用了聚乙烯隔膜。锂硫电池的电化学实验在20摄氏度的室温下进行，工作电压控制在1.5伏至2.65伏之间。

在单乙醚电解质的实验中，DME电解质体系的能量密度最高，达到878mAh/g；二甘醇二甲醚DEGDME电解质体系的能量密度位居第二，也达到857mAh/g。。然而，在第六个工作循环后，DME电解质系统表现出非常明显的电池容量衰减现象；

然而，二甘醇二甲醚DEGDME电解质体系在第二次工作循环后出现了非常明显的电池容量衰减现象。二恶烷DIOX电解质体系的能量密度在第一个工作循环中达到1040mAh/g，在第12个工作循环迅速下降到640mAh/g。含有二恶烷的DIOX电解质体系具有非常高的初始能量密度。然而，在第12个工作循环之后，其能量密度也表现出非常明显的电池容量衰减现象。TEGDME电解质系统的初始能量密度较低，仅达到200mAh/g，但在随后的工作循环中没有明显的电池容量衰减。

在二元醚电解质的实验中，实验者通过将三甘醇二甲醚TEGDME和二恶烷DIOX以1∶1的比例混合来获得二元醚电解液。本实验的目的是综合利用TEGDME良好的可逆循环保留率和二恶烷DIOX的高能量密度。实验结果表明，二元醚电解质体系的初始能量密度达到1057mAh/g，经过20个工作循环后，能量密度为470mAh/g。与单乙醚电解质相比，二乙醚电解质表现出良好的可逆循环保留率。然而，在第一个工作循环之后，电池容量仍有明显衰减，并且在20个工作循环后，二元醚电解质系统的可逆循环保留率较低，仅达到44.5%。

在二元醚电解质的实验中，实验人员还在锂硫电池的两个电极之间添加了玻璃膜过滤器，以抑制锂硫电池电极周围的高阻抗。玻璃膜过滤器可以吸引电解质，因此通过添加玻璃膜过滤器，可以有效降低电极周围电解质短缺的可能性。通过使用玻璃膜过滤器，降低了二元醚电解质体系的初始能量密度，同时提高了可逆循环保持率，20个工作循环后其能量密度可达到605mAh/g。

根据现代汽车公司研究人员的化学分析，砜基电解质可以在锂硫电池的阳极表面形成保护膜，并可以通过阻断锂金属阳极与多硫化物之间的反应来减少多硫化物的沉淀。此外，在普通电解质的反应过程中，电池电极表面会出现裂纹，保护膜可以有效减少电极表面的裂纹。

在三元醚电解液实验中，现代汽车公司课题组采用环丁砜作为其锂硫电池电解液。将环丁砜与三甘醇二甲醚TEGDME和二恶烷混合，得到不同比例的电解质溶液。实验结果表明，三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的比例为1∶1∶2的混合电解质具有最佳的可逆循环保持率，电池容量达到715mAh/g；第二种是三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的混合电解质，其电池容量为674mAh/g，可逆循环保留率为68%。三甘醇二甲醚TEGDME、二恶烷DIOX和环丁砜的比例为1:1∶3的混合电解质在各方面的性能最差。此外，在三元醚电解质实验中，锂硫电池阳极的表面裂纹现象显著减少。

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