理論與實驗結合，建立一種新型聚合物鋰硫電池

【概要】研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的鋰硫電池相比，經(jīng)過100次以上的充電循環(huán)后，新型鋰硫電池的容量尚能提高一倍。

【圖注】此圖展示鋰硫電池單元循環(huán)過程中復雜離子簇的形成。這些離子簇由陽離子聚合物粘合劑，電池電解質和陰離子硫活性材料組成。

鋰硫電池是替代電動汽車中普通鋰離子電池極具前景的候選者，因為它們更便宜，重量更輕，并且可以為相同質量條件下儲存近兩倍的能量。但是，隨著時間的推移，鋰硫電池變得不穩(wěn)定，電極變差，限制了其廣泛采用。

近期，由美國能源部 Lawrence Berkeley 國家實驗室科學家所領導的研究小組發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鋰硫電池相比，新型鋰硫電池組件的容量翻倍，并在高電流密度下的充電周期超過100次，這是電動汽車（EV）和航空領域采用的關鍵性能指標。他們通過設計一種新聚合物粘結劑來積極調節(jié)鋰硫電池中的關鍵離子傳輸過程，并展示了它在分子水平上如何發(fā)揮作用。

Lawrence Berkeley 實驗室分子鑄造研究所的科學家Brett Helms說“新聚合物就像一面墻。硫磺負載在碳主體的孔隙中，然后由聚合物密封，由于硫磺參與電池的化學反應，聚合物阻止帶負電荷硫化合物游離出去，進而產(chǎn)生了下一代電動汽車”。

當鋰硫電池儲存和釋放能量時，化學反應產(chǎn)生可移動的硫分子，與電極斷開連接，導致分解并最終降低電池的容量。為了使這些電池更加穩(wěn)定，研究人員一直努力開發(fā)用于電極的保護涂層，并且開發(fā)新的聚合物粘合劑將電池組件粘合在一起。這些傳統(tǒng)粘合劑旨在控制或減輕電極的膨脹和開裂，新的粘合劑則更進一步。來自 Lawrence Berkeley 實驗室分子鑄造研究中心的研究人員設計了一種聚合物，通過選擇性地結合硫分子，將硫保持在靠近電極的位置，抵消其遷移的傾向。

下一步是了解在充電和放電過程中以及在不同充電狀態(tài)下可能發(fā)生的動態(tài)結構變化，指導鑄造理論設施的David Prendergast和理論設施項目的科學家Tod Pascal建立了一個模擬測試聚合物行為的假設。Prendergast說“我們現(xiàn)在可以可靠而高效地對這些粘合劑中的硫化學進行建模，基于從溶解的含硫產(chǎn)品詳細量子力學模擬。

他們在 Lawrence Berkeley 實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的超級計算資源上進行的大規(guī)模分子動力學模擬證實，該聚合物具有結合移動硫分子的親和力，并且還預測該聚合物可用于在電池的不同充電狀態(tài)下結合不同的硫物質。利用 Lawrence Berkeley 實驗室的高級光源和阿貢國家實驗室的電化學實驗室進行的實驗證實了這些預測。

研究小組進一步研究了新型聚合物粘合劑制備的鋰硫電池的性能。通過一系列實驗，他們能夠分析和量化聚合物如何影響硫陰極中的化學反應速率，這是實現(xiàn)這些電池的高電流密度和高功率的關鍵。通過長期循環(huán)使電池的電容量增加近一倍，新型聚合物提高了鋰硫電池的容量和功率。美國能源部能源儲存研究聯(lián)合中心（JCESR）對新型聚合物的合成，理論和特性的綜合理解使其成為原型鋰硫電池的關鍵組成部分。