近期，美國德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）的工程師們已經(jīng)取得了一項(xiàng)突破性進(jìn)展，他們說，通過利用一種硫的稀有化學(xué)相來防止破壞性化學(xué)反應(yīng)，這使鋰硫電池更接近于商業(yè)用途。這項(xiàng)研究成果已于近期發(fā)表在了《通信化學(xué)》雜志上。

 

 

鋰硫電池在能源存儲(chǔ)方面前景廣闊，這不僅僅是因?yàn)榱騼?chǔ)量豐富，而且與當(dāng)今電池中使用的鈷、錳和鎳相比，硫的來源不成問題。同時(shí)，鋰硫電池可能還會(huì)帶來一些顯著的性能提升，其存儲(chǔ)能量的潛力是目前鋰離子電池的幾倍。但有一個(gè)問題一直困擾著科學(xué)家，那就是多硫化物的形成。

 

當(dāng)電池工作時(shí)，這些物質(zhì)進(jìn)入電解液中并引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，損害電池的容量和壽命。科學(xué)家們已經(jīng)成功地用一種不與多硫化物發(fā)生反應(yīng)的醚電解質(zhì)取代了碳酸鹽電解質(zhì)。但這也帶來了其他問題，因?yàn)橐颐央娊赓|(zhì)本身極易揮發(fā)，并且含有低沸點(diǎn)的成分，這意味著如果加熱到室溫以上，電池可能很快就會(huì)失效或熔化。

 

因此，德雷塞爾大學(xué)的化學(xué)工程師一直在研究另一種解決方案，他們從設(shè)計(jì)一種新的陰極開始，這種陰極可以與已經(jīng)在商業(yè)應(yīng)用中的碳酸鹽電解質(zhì)一起工作。這種陰極是由碳納米纖維制成的，已經(jīng)被證明可以減緩多硫化物在醚電解質(zhì)中的移動(dòng)。但是讓它與碳酸鹽電解質(zhì)一起工作需要一些實(shí)驗(yàn)。

 

 

首席研究員Vibha Kalra表示，“對于商業(yè)制造商來說，目前使用的碳酸鹽電解液可以作為陰極，這是阻力最小的途徑。因此，我們的目標(biāo)不是推動(dòng)行業(yè)采用一種新的電解液，而是制造一種可以在現(xiàn)有鋰離子電解液系統(tǒng)中工作的陰極。”

 

科學(xué)家們試圖使用一種稱為蒸汽處理的技術(shù)將硫限制在碳納米纖維網(wǎng)中，以防止危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)。盡管這并沒有達(dá)到預(yù)期的效果，但以一種意想不到的方式結(jié)晶了硫，并將其變成了一種叫做單斜伽馬相硫的東西，這是一種元素略微改變的形式。

 

據(jù)悉，這種硫的化學(xué)相只能在實(shí)驗(yàn)室的高溫下產(chǎn)生或在自然界的油井中觀察到。研究人員則意外發(fā)現(xiàn)，它不與碳酸鹽電解質(zhì)反應(yīng)，從而消除了形成多硫化物的風(fēng)險(xiǎn)。

 

 

“起初，很難相信這是我們所檢測到的，因?yàn)樵谥暗乃醒芯恐校瑔涡本Я蛟?5°C（203°F）下一直不穩(wěn)定，”該研究的合著者Rahul Pai說，“在上個(gè)世紀(jì)，只有少數(shù)研究產(chǎn)生了單斜伽馬硫，并且最多只能穩(wěn)定20-30分鐘。但我們在陰極中創(chuàng)造了它，該陰極經(jīng)歷了數(shù)千次充放電循環(huán)而性能沒有下降。一年后，我們對它的檢查表明化學(xué)相保持不變。”

 

經(jīng)過一年的測試和4000次充放電循環(huán)，陰極保持穩(wěn)定，科學(xué)家說，這相當(dāng)于10年的常規(guī)使用。該團(tuán)隊(duì)用這種負(fù)極制作的電池原型，可以提供標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池三倍的容量，為更環(huán)保的電池鋪平了道路，使電動(dòng)汽車在每次充電后能行駛更遠(yuǎn)。

 

Kalra說，“雖然我們?nèi)栽谂α私膺@種在室溫下保持穩(wěn)定的單斜晶硫生成背后的確切機(jī)制，但這仍然是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，它可以為開發(fā)更可持續(xù)和更經(jīng)濟(jì)的電池技術(shù)打開許多扇門。”