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鋰硫電池的問世

鉅大LARGE  |  點擊量:858次  |  2018年12月06日  

一種工業廢品、一點塑料,再加上不太高的溫度,或許就是引爆下一個電池革命的導火線。美國國家標準與技術研究所(NIST)、亞利桑那大學和韓國首爾國立大學的研究人員攜手,將這些材料混合在一起,研制出了一種廉價、高功率的鋰硫電池。研究人員表示,新電池的性能可與目前市場上占主流的電池相媲美,而且,經過500次充放電循環后功能無損。

過去數十年來,鋰離子電池的能量密度不斷提高,廣泛應用于智能手機等領域。但鋰離子電池需要笨重的陰極(一般由氧化鈷等材料制成)來“收納”鋰離子,限制了電池能量密度的進一步提高。這意味著,對諸如長距離電動汽車等需要更大能量密度的應用來說,鋰離子電池有點力不從心。

因此,科學家們將目光投向了鋰離子電池更纖瘦的“表妹”——鋰硫電池身上,后者的陰極主要由硫(石油工業廉價的副產品)制成。硫的“體重”僅為鈷的一半,因此,同樣體積的硫收納的鋰離子數為氧化鈷的兩倍,這就使得鋰硫電池的能量密度為鋰離子電池的數倍。

但硫陰極也有兩大劣勢:首先,硫容易與鋰結合,形成的化合物會結晶;其次,不斷的充放電循環使硫陰極容易破裂,因此,一塊典型的鋰硫電池經過幾次循環就成了無用之物。

據物理學家組織網6月4日報道,在最新研究中,為了制造出穩定的硫陰極,研究人員將硫加熱到185攝氏度,將硫元素由8個原子組成的環路融化成長鏈,隨后,他們讓硫鏈同二異丁烯(DIB,一種碳基塑料前體)混合,二異丁烯讓硫鏈連接在一起,最終得到了一種混合聚合物。他們將這一過程稱為“逆向硫化”,因為其同制造橡膠輪胎的過程類似,關鍵的區別在于:在輪胎中,含碳材料會聚集成一大塊,硫則點綴其中。

科學家們解釋道,添加二異丁烯使硫陰極不那么容易破碎,也阻止了鋰硫化合物結晶。研究表明,硫和二異丁烯的最佳混合為二異丁烯占總質量的10%到20%。如果太少,無法保護陰極;如果太多,電化學性能不活躍的二異丁烯會降低電池的能量密度。

測試表明,經過500次循環后,電池的能量密度仍為最初的一半多。亞利桑那大學的化學家杰弗里·佩恩表示,其他還處于實驗階段的鋰硫電池也有同樣的性能,但其制造成本高昂,很難進行工業化生產。

NIST的材料科學家克里斯托弗·索爾斯表示,盡管如此,這種鋰硫電池短期內也不會上市,硫暴露在空氣中很容易燃燒,因此,任何經濟可行的鋰硫電池都需要經過非常嚴苛的安全測試,才能投放市場。

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