面向汽车市场的新型锂硫电池

容量是锂离子电池的五倍且环境污染低的电池可能会导致开发更便宜的电动汽车和大规模存储主电源。基于锂和硫 (Li-S) 的电池能够在 200 多次充电和放电循环中保持 99% 的效率；如果用于为智能手机供电，它可以保持运行五天（图 1）。

这种新电池是由澳大利亚墨尔本莫纳什大学机械工程和航空航天系研究员 Mahdokht Shaibani 及其同事开发的。

研究人员已为其制造工艺申请了专利，并且原型电池已由包括弗劳恩霍夫材料与梁技术研究所在内的德国合作伙伴成功制造。科学家们认为，这一发展可能会改变未来手机、汽车、计算机和太阳能网络的生产方式。该研究发表在《科学进展》上。

该研究小组包括 Shaibani 和她在莫纳什大学的团队；与来自 CSIRO、列日大学、弗劳恩霍夫和 Beam Technology 的同事一起。

“锂硫电池的设计和实施可以彻底改变汽车市场，”作者之一、莫纳什大学教授 Mainak Majumder 说。

图 1：Matthew Hill 副教授、Mahdokht Shaibani 博士和 Mainak Majumder 教授 [来源：莫纳什大学]

谈到电池，每个人都在寻找能够提供更长寿命和可持续性的新解决方案。研究人员一直致力于研究可以充电更多、使用寿命更长的电池。

迄今为止，锂硫电池的弱点在于硫电极的高容量，大到在正常的电池充放电循环中会断裂。硫电极在循环过程中膨胀和收缩，电极体积变化约78%。

由于锂化/脱锂体积的显着变化以及由此产生的应力，当硫电极充电至所需水平 5 至 10 mg cm-2 时，更高的能量性能会迅速减弱。研究人员在化学水平上为硫颗粒提供了更多空间，使用较少量的聚合物材料将颗粒固定在电极中，从而在硫颗粒之间形成更多的间隔结构。使用与锂离子电池相同的材料，研究人员重新配置了硫阴极的设计，使其能够承受更高的应力负载，而不会降低整体容量或性能。

这种锂硫电池可以显着降低电池的成本，因为硫是一种丰富且极其经济的化学元素。然而，可能存在与锂离子电池生产相关的伦理问题。电动汽车的主要问题与电池生产所需原材料的提取过程有关。许多研究还侧重于开发对环境影响较小的廉价组件，例如硫。

据科学家预测，到2050年，道路上的电动汽车数量将达到9.65亿辆，电池的储能容量要上升到12380GWh，而光伏系统的储能容量要超过7100GW。未来几年，对金属的需求将大幅增长。

电池是未来几年在运输和电力方面使欧洲能源供应系统摆脱碳氢化合物的关键技术之一。硫更容易找到且更便宜，尤其是因为它也是石油加工的废物。在不久的将来，我们将需要新一代高性能、可靠、安全、可持续且价格合理的电池。

储能系统将在电力和热力系统的完全脱碳中发挥越来越重要的作用。从化石燃料到可再生能源的过渡不能不包括先进储能技术的发展，例如储能系统和电池。

与传统锂离子（Li-ion）电池相比，储能新技术涉及使用硫，硫是一种非常经济的材料，与传统锂离子相比，具有更高的过载耐受性、更低的毒性和更轻的重量。
利用锂硫电池的电化学反应可以在各个应用领域带来令人兴奋的新发展。其他研究人员发现，将硫碳储能包裹在薄而柔韧的石墨烯片中可以加速电子和离子的传输，从而提高性能和导电性。通过将硫碳单元包裹在石墨烯片中，您可以获得更长的电池寿命、更好的循环稳定性和更高的效率。

审核编辑 黄昊宇