打造人工碲層使電池使用壽命延長(zhǎng)4倍，加速鋰硫電池技術(shù)的商業(yè)化

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，近日美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和科克雷爾工程學(xué)院的研究人員找到了一種方法，可以穩(wěn)定鋰硫電池中最具挑戰(zhàn)性的部分之一，加速鋰硫電池技術(shù)的商業(yè)化。

美國(guó)這兩所大學(xué)研究人員最近的研究結(jié)果表示，可以在電池內(nèi)部原位，打造一種人工碲層，覆蓋在金屬鋰上，可以讓電池的使用壽命延長(zhǎng)4倍。

鋰硫電池曾被譽(yù)為下一代電池技術(shù)，有望讓手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)等產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，它比鋰離子電池更加環(huán)保。不過(guò)，此類(lèi)電池的缺點(diǎn)是使用壽命比鋰離子電池短，會(huì)隨著時(shí)間推移而退化。

鋰是一種反應(yīng)性元素，會(huì)分解其周?chē)钠渌亍ｄ嚵螂姵氐拿恳淮纬浞烹娧h(huán)都會(huì)在鋰金屬陽(yáng)極（電池負(fù)極）上形成針狀的苔蘚類(lèi)沉積物，引起一種會(huì)導(dǎo)致電池整體退化的反應(yīng)。該沉積物會(huì)分解來(lái)回運(yùn)輸鋰離子的電解質(zhì)，讓電極無(wú)法提供足夠的能量，可以讓電池能夠更長(zhǎng)時(shí)間使用，而此種反應(yīng)可能導(dǎo)致電池短路，以至于引發(fā)火災(zāi)。

解決鋰硫電池的不穩(wěn)定性是延長(zhǎng)其使用壽命讓其得到更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

在鋰電極上形成的人工碲層可以保護(hù)電解質(zhì)不被降解，并減少了在充電過(guò)程中形成的、困住鋰的苔蘚結(jié)構(gòu)。利用簡(jiǎn)單的原位工藝就可形成該穩(wěn)定層，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理或采用鋰金屬陽(yáng)極涂層工藝。

鋰硫電池與現(xiàn)在的鋰離子電池相比，鋰硫電池正負(fù)電極的充電容量高9倍，一次充電電可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。由于硫儲(chǔ)量豐富，此種電池的生產(chǎn)成本也很低廉。此外，與鋰離子電池中的金屬氧化物材料相比，硫也更加環(huán)保。

研究人員表示，此種方法還可應(yīng)用于其他鋰基電池和鈉基電池，而且已經(jīng)為該項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了臨時(shí)專(zhuān)利。鋰硫電池最適合用于需要輕型電池的設(shè)備，一次充電就可運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，無(wú)需多次充電周期。鋰硫電池也有潛力在延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程、增加可再生能源采用率方面發(fā)揮重要作用。

韓國(guó)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅可用于鋰硫電池

在過(guò)去的幾十年里，移動(dòng)技術(shù)、可穿戴電子產(chǎn)品和各種便攜式設(shè)備的使用量急劇增加，促使全世界的科學(xué)家們尋求可充電電池的下一個(gè)突破。鋰硫電池（LSBs）是由浸沒(méi)在液態(tài)電解液中的硫基正極和鋰陽(yáng)極組成的，因其成本低、無(wú)毒且富含硫的特性，有望取代無(wú)處不在的鋰離子電池。

然而，鑒于如下兩個(gè)原因，在電池中使用硫是存在一定挑戰(zhàn)的的。首先，在 “放電 ”循環(huán)過(guò)程中，可溶性鋰多硫化物（LiPS）在正極形成，擴(kuò)散到電解液中，很容易到達(dá)陽(yáng)極，在那里它們會(huì)逐漸降低電池的容量。其次，硫是不導(dǎo)電的。因此，需要一種導(dǎo)電、多孔的主體材料來(lái)容納硫，同時(shí)在陰極捕獲LiPS。近來(lái)，由于碳基主體結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)電性，因此人們對(duì)碳基主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。然而，碳基主體不能捕集LiPS。

在最近發(fā)表在《Advanced Energy Materials》雜志上的一項(xiàng)研究中，來(lái)自大邱慶北科學(xué)技術(shù)研究所的科學(xué)家們提出了一種名為 “板狀有序介孔二氧化硅（pOMS） ”的新型主體結(jié)構(gòu)。他們選擇的不尋常之處在于，二氧化硅這種低成本的金屬氧化物實(shí)際上是不導(dǎo)電的。然而，二氧化硅具有很強(qiáng)的極性，會(huì)吸引其他極性分子，如LiPS等。

在向pOMS結(jié)構(gòu)施加導(dǎo)電碳基劑后，結(jié)構(gòu)孔隙中的初始固體硫會(huì)溶解到電解液中，然后從那里擴(kuò)散到導(dǎo)電碳基劑中，被還原生成LiPS。在這種方式下，盡管二氧化硅不導(dǎo)電，但硫有效地參與了必要的電化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，pOMS的極性保證了LiPS保持在靠近陰極而遠(yuǎn)離陽(yáng)極的位置。

科學(xué)家們還構(gòu)建了一個(gè)類(lèi)似的非極性、高導(dǎo)電性的傳統(tǒng)多孔碳母體結(jié)構(gòu)，與pOMS結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Jong-Sung Yu教授表示：“采用碳母體的電池表現(xiàn)出很高的初始容量，但由于非極性碳和LiPS之間的微弱相互作用，容量很快就會(huì)下降。在連續(xù)循環(huán)過(guò)程中，二氧化硅結(jié)構(gòu)顯然保留了更多的硫；這導(dǎo)致了高達(dá)2000次循環(huán)的容量保持和穩(wěn)定性大大提高?！?/p>

從這項(xiàng)研究中得到的最重要的啟示是，LSB的主體結(jié)構(gòu)不需要像以前認(rèn)為的那樣具有導(dǎo)電性。Yu教授說(shuō)：“我們的研究結(jié)果令人驚訝，因?yàn)闆](méi)有人想到非導(dǎo)電的二氧化硅可以成為一種高效的硫主體，甚至超過(guò)了最先進(jìn)的碳主體?！?這項(xiàng)研究拓寬了LSB的主體材料的選擇范圍，并可能導(dǎo)致下一代硫電池的范式轉(zhuǎn)變。

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