鋰硫電池的商業(yè)可行性隨著陰極化學的突破而提高

　　對電動汽車(EV)不斷增長的需求提高了對新能源電池的需求，這是向可再生電力轉(zhuǎn)變所必需的。為了使電池性能優(yōu)越，德雷克塞爾大學的一組化學工程師找到了一種將硫引入鋰離子電池的方法——結(jié)果令人震驚。

　　隨著2021年全球電動汽車銷量翻倍， 鋰、鎳、錳和鈷等電池材料價格飆升 ，這些原材料的供應(yīng)鏈因疫情而成為瓶頸。這也將注意力集中在原材料的主要供應(yīng)商：剛果和中國等國家。

　　早在電動汽車激增和電池材料短缺之前，開發(fā)商業(yè)上可行的硫電池一直是電池行業(yè)的優(yōu)分選項。這是因為硫的天然豐度和化學結(jié)構(gòu)使其能夠儲存更多的能量。德雷克塞爾工程學院的研究人員最近在《化學通報》雜志上報告了一項突破性的研究成果， 提供了一種避開過去抑制鋰硫電池障礙的方法，最終將這項廣受歡迎的技術(shù)推向市場。

　　他們發(fā)現(xiàn)了——在碳酸鹽電解質(zhì)中起作用的稀有形式硫的新方法——碳酸鹽電解質(zhì)是商業(yè)鋰離子電池中使用的能量傳輸液體。這一發(fā)現(xiàn)不僅使硫鋰電池在商業(yè)上可行，而且還使鋰離子電池容量提高了三倍，可充電超過4000次——相當于使用10年，這也是一項重大改進。

　　“多年來，硫一直非常適合用于電池，因為它在地球中含量豐富并且可以以安全和環(huán)保的方式收集，正如我們現(xiàn)在所證明的那樣，它同時還具有商業(yè)可行性。” 領(lǐng)導(dǎo)這項研究的德雷克塞爾學院化學與生物工程系講席教授Vibha Kalra博士說。

　　將硫引入具有商業(yè)友好的碳酸鹽電解質(zhì)中會發(fā)生不可逆的化學反應(yīng)。由于這種不良反應(yīng)，以前在碳酸鹽電解質(zhì)溶液電池中使用硫陰極的嘗試是完全失效的。

　　Li-S電池已經(jīng)在使用醚電解質(zhì)而不是碳酸鹽的實驗環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的性能，因為醚不會與多硫化物發(fā)生反應(yīng)。但這些電池在商業(yè)上不可行，因為醚電解質(zhì)極易揮發(fā)，并且其成分的沸點低至42攝氏度，這意味著電池溫度高于室溫可能會導(dǎo)致故障或熔化。

　　“在過去的十年中，大多數(shù)Li-S領(lǐng)域采用醚電解質(zhì)來避免與碳酸鹽的不良反應(yīng)。”Kalra說。“然后多年來，研究人員通過減輕所謂的多硫化物穿梭/擴散來深入研究增強醚基硫電池的性能——但該領(lǐng)域完全忽視了醚電解質(zhì)本身就是一個問題的事實。在我們的工作中，主要目標是用碳酸鹽代替醚，但這樣做我們也消除了多硫化物，這意味電池可以在數(shù)千次循環(huán)中表現(xiàn)出色。”

　　Kalra團隊之前的研究也以這種方式解決了這個問題——生產(chǎn)一種碳納米纖維陰極，通過減少中間多硫化物的運動來減緩醚基鋰硫電池中的穿梭效應(yīng)。

　　“擁有一個與他們研究環(huán)境搭配的陰極是必備的。”Kalra說。“因此，我們的目標不是推動行業(yè)采用新的電解質(zhì)，而是制造一種可以在現(xiàn)有的鋰離子電解質(zhì)系統(tǒng)中工作的陰極。”

　　因此，為了消除多硫化物的形成以避免不良反應(yīng)，該團隊嘗試使用氣相沉積技術(shù)將硫限制在碳納米纖維陰極基板中。雖然這個過程沒有成功地將硫嵌入納米纖維網(wǎng)中，但它做了一些非同尋常的事情，當團隊開始測試陰極時，這一點就顯現(xiàn)出來了。

　　“當我們開始測試時，它開始運行得很漂亮——這是我們沒有預(yù)料到的。事實上，我們一遍又一遍地測試它——超過100次——以確保我們真的看到了我們認為我們看到的東西。”Kalra說。“我們懷疑硫陰極會導(dǎo)致反應(yīng)停止，但實際上表現(xiàn)得非常好，而且它一次又一次地這樣做而沒有引起穿梭。”

　　經(jīng)過進一步調(diào)查，研究小組發(fā)現(xiàn)，在碳納米纖維表面沉積硫的過程中——將其從氣體變?yōu)楣腆w——它以一種意想不到的方式結(jié)晶，形成了一種元素的輕微變化，稱為單斜γ相硫。這種不與碳酸鹽電解質(zhì)反應(yīng)的硫化學相以前只能在實驗室的高溫下產(chǎn)生，并且只能在油井的極端環(huán)境中在自然界中觀察到。

　　“起初，很難相信這是我們檢測到的，因為在之前的所有研究中，單斜硫在95攝氏度以下一直不穩(wěn)定。”化學與生物工程系博士生、合著者Rahul Pai說。“在上個世紀，只有少數(shù)研究產(chǎn)生了單斜γ相硫，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相保持不變。”

　　經(jīng)過一年多的測試，硫正極保持穩(wěn)定，正如團隊報告的那樣，其性能在4000次充放電循環(huán)中沒有下降，這相當于10年的正常使用。而且，正如預(yù)測的那樣，電池的容量是鋰離子電池的三倍多。

　　“雖然我們?nèi)栽谂α私庠谑覝叵庐a(chǎn)生這種穩(wěn)定的單斜晶硫背后的確切機制，但這仍然是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，并且可以為開發(fā)更可持續(xù)和負擔得起的電池技術(shù)打開許多大門。”Kalra說。

　　用硫替代鋰離子電池中的陰極將減少對鈷、鎳和錳的采購需求。這些原材料的供應(yīng)是有限的，并且在不造成健康和環(huán)境危害的情況下不容易提取。另一方面，硫在世界各地隨處可見、大量存在，因為它是石油生產(chǎn)的廢物。

　　“擺脫對鋰和其他昂貴且難以從地球上提取的材料是開發(fā)電池和擴大我們使用可再生能源能力的重要一步。”Kalra說。“開發(fā)可行的鋰硫電池開辟了許多替代這些材料的途徑。”

　　（原文來自：清潔技術(shù) 全球儲能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）