研究人員利用石墨烯氣凝膠助鋰硫電池突破

據(jù)外媒報(bào)道,為了適應(yīng)電氣化未來的需求,需要研發(fā)新型電池技術(shù),其中一個(gè)選擇就是鋰硫電池,與鋰離子電池相比,理論上來說,此種電池能量密度要高5倍。最近,瑞典查默斯理工大學(xué)(Chalmers University of Technology)的研究人員在石墨烯海綿(graphene sponge)的幫助下,利用陰極電解液,在此種電池的研發(fā)上獲得了突破。

研究人員的想法非常新穎,利用一種由還原氧化石墨烯制成的多孔、類似海綿的氣凝膠,當(dāng)作電池的獨(dú)立電極,從而更好地利用硫、提高利用率。

傳統(tǒng)電池由四部分組成,首先,有兩個(gè)覆蓋活性物質(zhì)的支撐電極,即陽極和陰極;它們之間是電解質(zhì),通常是液體,可讓離子來回轉(zhuǎn)移;第四個(gè)部分是分離器,作為物理屏障,可防止兩個(gè)電極接觸的同時(shí),允許離子轉(zhuǎn)移。

此前,研究人員曾嘗試將陰極和電解質(zhì)結(jié)合在一起,成為“陰極電解液”。該概念有助于減輕電池重量,同時(shí)使充電速度更快,供電能力更強(qiáng)。現(xiàn)在,由于石墨烯氣凝膠得到了發(fā)展,該概念被證明有效可行,而且前景很好。

首先,研究人員在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池盒內(nèi)注入薄薄的一層多孔石墨烯氣凝膠。查默斯理工大學(xué)物理系兼本研究的首席研究員Carmen Cavallo表示:“氣凝膠是一個(gè)長瘦型的圓柱體,將它像切意大利香腸一樣切成薄片,然后將薄片擠壓放入電池。然后再拿一種含硫豐富的溶液,即陰極電解液,加入到該電池中。多孔氣凝膠作為支撐,會(huì)像海綿一樣吸收該溶液。”

“石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵,可吸收大量陰極電解液,得到足夠的硫,進(jìn)而使陰極電解液概念得以實(shí)現(xiàn)。此類半液體陰極電解液非常有必要,可以在硫循環(huán)的過程中不損失任何硫,由于硫已經(jīng)溶解在陰極電解液中,因此不會(huì)因溶解而損失”。

為了使陰極電解液發(fā)揮其電解質(zhì)的作用,還在分離器中加入了部分陰極電解液,這也最大限度地提高了電池的硫含量。

目前,大多數(shù)商用電池都是鋰離子電池,但是此種電池的發(fā)展已接近極限,為了滿足更高的要求,尋找新型化學(xué)方法變得更加重要。而鋰硫電池具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn),如能量密度更高。目前,市場上最好的鋰離子電池的工作效率為300瓦時(shí)/千克,理論上說,最大可達(dá)350/千克。而理論上來說,鋰硫電池的能量密度約為1000至1500瓦時(shí)/千克。

查默斯理工大學(xué)物理系教授兼此次研究主導(dǎo)人Aleksandar Matic表示:“此外,硫很便宜,儲(chǔ)量豐富,而且更加環(huán)保。此外,鋰離子電池中普遍含有對(duì)環(huán)境有害的氟,而鋰硫電池卻沒有。”

目前為止,鋰硫電池的問題在于不夠穩(wěn)定,導(dǎo)致循環(huán)壽命短。但是在查默斯理工大學(xué)的研究人員在測試新電池原型時(shí),發(fā)現(xiàn)新電池在350次循環(huán)后,仍保持85%的容量。

新設(shè)計(jì)避免了硫鋰電池降解過程中的兩個(gè)主要問題,一個(gè)是硫溶解到電解質(zhì)中而丟失,另一個(gè)是硫分子從陰極遷移到陽極的“穿梭效應(yīng)”。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,此類問題的影響都被大大減少了。

但是,研究人員指出,該項(xiàng)技術(shù)要完全發(fā)揮市場潛力仍還有很長一段路要走。Aleksandar Matic表示:“由于此種電池的生產(chǎn)方式不同于大多數(shù)正常電池,因此還需要研發(fā)新的生產(chǎn)工藝,以實(shí)現(xiàn)該電池的商業(yè)化。”