科學家研發(fā)新型陰極制備法 讓儲能超10倍的鋰硫電池取代鋰離子電池

據(jù)外媒報道，新加坡科技研究局(A*STAR)納米生物實驗室(NBL)的科學家研發(fā)出一種新穎的方法來制備下一代鋰硫電池陰極，而且該方法簡化了鋰硫電池陰極耗時且復雜的生產(chǎn)過程。該研究表明鋰硫電池商業(yè)化有了希望，而且解決了行業(yè)內(nèi)的一個挑戰(zhàn)，即需要一種實用方法以大規(guī)模生產(chǎn)能夠提升電池性能的材料。

盡管人們普遍認為鋰離子電池是一種先進的技術(shù)，可以有效地為現(xiàn)代通信設備提供動力，但是由于其內(nèi)在電化學屬性不穩(wěn)定，存在存儲容量有限以及安全性不足等缺點。不過，NBL研究團隊研發(fā)了一種新型簡化技術(shù)，能夠從廉價的商用材料中研發(fā)出鋰硫電池陰極，從而改變現(xiàn)狀。在理論上，硫的能量密度高、成本低且儲量豐富，有助于鋰硫電池系統(tǒng)得到普及，進而替代鋰離子電池。

理論上說，鋰硫電池可存儲比鋰離子電池多10倍的能量，但是目前為止，此種電池無法重復充放電。NBL研發(fā)的鋰硫電池陰極卻顯示了良好的比容量，高達1220 mAh/g，意味著每1g的陰極材料就可存儲1220 mAh的電荷。相比之下，典型鋰離子電池陰極的比容量為140 mAh/g。此外，NBL的鋰硫電池陰極在200次以上的充電循環(huán)后，仍保持很高的容量，性能的損失降至最小。能夠達到此種性能的關鍵在于NBL采用了獨特的陰極制備兩步法。

研究人員在添加硫之前，先構(gòu)建了碳支架，得到一種3D互聯(lián)多孔納米材料。與傳統(tǒng)制備陰極的方法不同，該方法可以在電池充電時，防止碳支架坍塌。在電池充放電初期，傳統(tǒng)法制備的陰極碳支架會坍塌，從而導致整個電池結(jié)構(gòu)的變化。最終，傳統(tǒng)陰極的密度變得更高、表面積更小、孔隙也更小，進而導致電池的性能低于NBL的電池。事實上， NBL陰極的比容量比傳統(tǒng)法制備而成的硫陰極高出48%，容量消褪率降低了26%。如果該陰極中添加了更多的硫，NBL陰極的實用表面積容量高達4 mAh / 平方厘米。

NBL的研究人員不僅在設計和優(yōu)化陰極，還在利用納米材料工藝對陽極、電池隔膜和電解質(zhì)進行設計和優(yōu)化。研究人員的目標是研發(fā)出一套完整的鋰硫電池系統(tǒng)，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，該系統(tǒng)將具備更強的儲能能力，而且比現(xiàn)有的電池壽命更長，能夠給電子設備、電動汽車和電網(wǎng)儲能等帶來很大的益處。(文中圖片均來自新加坡科技研究局)