2008年7月下旬，一架英國太陽能飛機(jī)在高空連續(xù)飛行了三天，創(chuàng)造了非官方的飛行耐力記錄。也許鮮有人知道，鋰硫(Li-S)電池成為其部件中最偉大的技術(shù)進(jìn)步之一，它在夜間為飛機(jī)提供動力，其效率即便是當(dāng)時的頂級電池也無法比擬。
十年后，世界似乎仍在等待Li-S電池商業(yè)化到來。德雷克塞爾大學(xué)研究人員的突破剛剛消除了阻礙其生存的巨大障礙。
技術(shù)公司已經(jīng)了解到這樣一個事實(shí)：無論是筆記本電腦、手機(jī)還是電動汽車的發(fā)展，都取決于電池性能的穩(wěn)步改善。技術(shù)只有在電池允許的情況下才能向前推動，鋰離子電池 - 目前被認(rèn)為是市場上最好的電池 - 正在達(dá)到改進(jìn)的極限。
隨著電池性能接近穩(wěn)定，一些公司正試圖通過擠壓、減小一些對能量存儲沒有貢獻(xiàn)的內(nèi)部組件的大小，以期將最后一個伏特塞入存儲設(shè)備。這些結(jié)構(gòu)變化會帶來一些不幸的副作用，例如2016年三星手機(jī)出現(xiàn)的一系列爆炸事故。
研究人員和技術(shù)企業(yè)正在研究如何將鋰硫(Li-S)電池最終取代鋰離子電池，因?yàn)檫@種新的化學(xué)反應(yīng)從理論上講，可以將更多的能量裝入單個電池中 - 這一措施稱為電池研發(fā)中的能量密度。這種改進(jìn)帶來的容量，大約是鋰離子電池的5-10倍，相當(dāng)于電池在這次充電與下一次充電之間的運(yùn)行時間更長。
問題是，在完成最初的幾次充電后，Li-S電池?zé)o法繼續(xù)保持其優(yōu)越的容量。事實(shí)證明，硫作為提高能量密度的關(guān)鍵成分，會以“多硫化物”的中間產(chǎn)物的形式從電極遷移，導(dǎo)致這種關(guān)鍵成分的損失和再充電過程中的性能下降。
多年來科學(xué)家們一直試圖穩(wěn)定Li-S電池內(nèi)部產(chǎn)生這些多硫化物的反應(yīng)，但大多數(shù)嘗試都會產(chǎn)生其他復(fù)雜情況，例如為電池增加重量、需要昂貴的材料或添加幾個復(fù)雜的加工步驟。
但是現(xiàn)在有一種新方法誕生了，Drexels工程學(xué)院的研究人員在最近一期美國化學(xué)學(xué)會期刊《應(yīng)用材料與接口》雜志上發(fā)表的一篇題為“一氧化鈦(TiO)納米纖維作為Li-S電池中多硫化物固定劑”的報告：路易斯酸堿相互作用的證據(jù)，表明它可以將多硫化物固定到位，保持這種電池令人印象深刻的耐力，同時減少整體重量和生產(chǎn)它們所需的時間。
我們已經(jīng)創(chuàng)造了獨(dú)立式多孔一氧化鈦納米纖維氈作為鋰硫電池中的陰極主體材料，Vibha Kalra博士說。他是工程學(xué)院的助理教授，主要研究作者?！斑@是一個重大的發(fā)展，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)我們的一氧化鈦 - 硫陰極具有高導(dǎo)電性，能夠通過強(qiáng)烈的化學(xué)相互作用結(jié)合多硫化物，這意味著它可以增強(qiáng)電池的比容量，同時保持其令人印象深刻的性能。我們還可以證明這可以完全取消陰極側(cè)的粘合劑和集電器，它們占電極重量的30-50％ - 我們的方法只需幾秒鐘即可形成硫陰極。目前的標(biāo)準(zhǔn)可能需要將近半天?！?
他們的研究結(jié)果表明納米纖維墊在微觀層面上類似鳥巢，是一個優(yōu)秀的硫陰極平臺，因?yàn)樗梢晕筒东@電池使用時產(chǎn)生的多硫化物。將多硫化物保持在陰極結(jié)構(gòu)中可防止穿梭，這是當(dāng)它們?nèi)芙庠陔姵刂械年帢O與陽極分離的電解質(zhì)溶液中時發(fā)生的性能下降現(xiàn)象。
據(jù)Kalra介紹，這種陰極設(shè)計不僅可以幫助Li-S電池保持其能量密度，而且還可以在沒有增加會導(dǎo)致重量和生產(chǎn)成本提高的額外材料的情況下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
為了實(shí)現(xiàn)這些雙重目標(biāo)，該團(tuán)隊對此進(jìn)行了深入研究。包括反應(yīng)機(jī)理和多硫化物的形成，以更好地了解電極主體材料如何幫助它們。
這項(xiàng)研究表明，陰極中一氧化鈦和硫之間存在強(qiáng)烈的路易斯酸堿相互作用，可防止多硫化物產(chǎn)生進(jìn)入電解質(zhì)，這是電池性能下降的主要原因，該論文作者之一，Kalras實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Arvinder Singh博士說。
這意味著他們的陰極設(shè)計可以幫助Li-S電池保持其能量密度 - 并且在沒有額外材料增加重量和生產(chǎn)成本的情況下進(jìn)行，Kalra.Kalras先前對納米纖維電極的研究表明它們是具有多種優(yōu)勢的過電流電池組件。它們具有比當(dāng)前電極更大的表面積，這意味著它們可以在充電期間適應(yīng)膨脹，這可以提高電池的存儲容量。通過填充電解質(zhì)凝膠，它們可以消除設(shè)備中的易燃成分，最大限度地減少它們對泄漏、火災(zāi)和爆炸的敏感性。
它們通過靜電紡絲過程創(chuàng)建，看起來像制作棉花糖，這意味著它們比標(biāo)準(zhǔn)的基于粉末的電極更有優(yōu)勢，傳統(tǒng)電極在生產(chǎn)過程中需要使用絕緣和可能使性能惡化的粘合劑化學(xué)品。
靜電紡絲的創(chuàng)建過程，看起來像制作棉花糖。(圖片來自于網(wǎng)絡(luò))
為了生產(chǎn)無粘結(jié)劑、獨(dú)立式陰極平臺以改善電池性能，Kalras實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種快速硫沉積技術(shù)，只需五秒鐘即可將硫加入其基材。
“該程序?qū)⒘蛉刍郊{米纖維墊中，在140攝氏度的輕微壓力環(huán)境中 - 無需耗時的加工或使用混合有毒的化學(xué)品，同時改善陰極長時間使用后能夠保持有效性。我們的Li-S電極提供正確的結(jié)構(gòu)，”Kalra表示，“在電池循環(huán)過程中，最大限度地減少容量衰減，這是Li-S電池商業(yè)化的一個最主要障礙。”
“我們的研究表明，這些電極的持續(xù)有效容量是目前鋰離子電池的四倍。而我們新穎、低成本的方法在幾秒鐘內(nèi)就能造出硫化陰極，這消除了制造的重大障礙?！?
無論是筆記本電腦、手機(jī)還是電動汽車的發(fā)展，都取決于電池性能的穩(wěn)步改善。技術(shù)只有在電池允許的情況下才能向前推動，鋰離子電池 - 目前被認(rèn)為是市場上最好的電池 - 正在達(dá)到改進(jìn)的極限。
自2008年Zephyr-6s太陽能飛機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄的飛行以來，許多公司已投資開發(fā)Li-S電池，希望增加各種電動汽車的續(xù)航，使移動設(shè)備在充電間隔持續(xù)更長的使用時間，甚至幫助整個能源網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)風(fēng)能和太陽能的間歇性。Kalras的工作現(xiàn)在為這種電池技術(shù)提供了一條可以打破一系列阻礙的發(fā)展途徑。
該團(tuán)隊將繼續(xù)開發(fā)其Li-S陰極，目標(biāo)是進(jìn)一步改善循環(huán)壽命、減少多硫化物的形成和減少成本。
