德雷塞尔大学改变阴极材料可提高锂硫电池性能

2008年7月，一架英国太阳能飞机连续飞行了三天以上，创下了最长的非官方飞行纪录。

锂硫电池作为帮助这次飞行的重大技术进步而出现，这架飞机整装待发，它的电池效率与当时的主要电池相比显得无与伦比。

十年后，世界仍在等待“Li-S”电池进入商业化。德雷塞尔大学的科学家最近取得的一项突破，这项新突破消除了阻碍这种电池商业化发展的重要障碍。

如果锂硫电池能够克服一种降低其耐久性的化学现象，那么锂硫电池将会成为未来的储能装置。德雷克塞尔研究人员报告了一种制造硫阴极的方法，这种方法可以使电池保持优异性能。

有一段时间，技术公司已经知道，他们产品的进步，无论是手机、笔记本电脑还是电动汽车，都依赖于电池的持续改进。

技术是“移动”的，只要电池存在。锂离子电池-据说是目前市场上最好的选择，正在达到完美的极限。

随着电池性能接近平稳，公司正试图通过减小一些内部部件的尺寸，将最后一伏电压挤入存储设备。

一些结构变化带来了灾 难性的副作用，尤其是2016年在许多三星设备中发生了崩 溃故障。

科学家和技术部门正在探索Li-S电池，以最终取代Li离子电池，因为这种新的电池理论上允许更多的能量储存到单个电池中，这在电池研发中称为“能量密度”。

容量提高后，大约达到锂离子电池的5-10倍，电池续航时间得到了明显的提高。问题是，Li-S电池在最初几次充电后就无法维持其优异的容量。

原来，硫是改善能量密度的主要成分，它以中间产物多硫化物的形式从电极迁移，导致这种主要成分损失，并且在充电期间性能会不断下降。

多年来，研究人员一直致力于稳定Li-S电池内的反应，以物理形式包含这些硫，但大多数尝试都导致了其他副作用，例如向电池中添加昂贵的材料或增加许多复杂的加工步骤。

但是，最近一期《美国化学学会应用材料与界面》“American Chemical Society journal Applied Materials and Interfaces”杂志上，由Drexel工程学院科学家们公布的新方法表明，它可以保持多硫化物的位置，保持电池的显著耐久性，同时降低整体重量和制作时间。

我们已经创建了独立的多孔钛氧化物纳米纤维衬底作为锂硫电池中的阴极主体材料。

这是一个重大的发展，因为我们发现一氧化钛-硫阴极具有高导电性，并且能够通过强烈的化学相互作用与多硫化物结合，这意味着它可以增加电池的比容量，同时在数百个周期内保持性能。

我们还可以证明在阴极侧完全消除粘结剂和集流器，这些占电极重量的30%～50%，我们的方法只需几秒钟就可以创建硫阴极，而目前的标准需要花费近半天时间，首席研究员Vibha Kalra说。

他们的发现表明，在微观层面上看起来像鸟巢的纳米纤维毡是硫阴极的特殊平台，因为它吸引并捕获了电池使用时形成的多硫化物。

将多硫化物保持在阴极结构中可以防止“穿梭”现象，这是当多硫化物溶解在电解质溶液中时，在电池中将阴极和阳极分开时发生的性能流失现象。

Kalra说，这种阴极设计不仅能够使Li-S电池保持能量密度，而且不需要增加重量和生产成本。

为了实现这个双重目标，研究小组仔细研究了多硫化物的反应机理，更好地理解电极主体材料如何有助于保护多硫化物。

研究表明，在阴极中一氧化钛和硫之间存在强烈的路易斯酸碱相互作用，阻止了多硫化物进入电解质，这是电池性能降低的主要原因，合著者Arvinder Singh说。

据Kalra说，这意味着它们的阴极设计可以帮助Li-S电池保持能量密度，并且不需要增加重量和材料。

Kalra早期对纳米纤维电极的研究表明，它们比现有的电池组件更有优势。它们比现有电极具有更大的表面积，这意味着它们可以在充电期间处理膨胀，这可以增加电池的存储容量。

通过用电解质凝胶填充它们，可以将易燃部件从设备中移除，从而减少泄漏、火 灾和爆 炸的易损性。它们是通过电纺工艺生产的，看起来很像棉花糖，这意味着它们比典型的粉末基电极更有优势，这需要在生产中使用绝缘和性能较弱的“粘合剂”化学品。

除了创建无粘合剂的独立阴极平台优化电池性能的工作之外，Kalra的实验室还建立了一种快速硫沉积方法，这种方法只需要5秒钟就能将硫引入到衬底中。

这种工艺在稍微加压140°C环境中将硫熔化到纳米纤维衬底中，避免了危险化学品的使用，同时提高了阴极在长期使用后保持电荷的能力。

紧跟着2008年的那次飞行，许多公司都在增加对电动汽车锂电池的预期投资，使得移动设备续航更持久，甚至帮助太阳能和风能构建能源网络。

Kalra的工作目前为这种电池技术提供了一条道路，克服了很多阻碍。

这个研究小组将继续开发Li-S阴极，目标是进一步提高循环寿命，减少多硫化物的形成和降低成本。

文章来自azom，原文题目为Lithium-sulfur Batteries as The Energy Storage Devices of the Future，由材料科技在线汇总整理