借助超薄納米材料 鋰硫電池技術(shù)取得突破

加拿大滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家日前宣稱在鋰硫(Li-S)電池技術(shù)上取得了一項(xiàng)重大突破。借助一種超薄納米材料，他們開發(fā)出一種更加經(jīng)久耐用的硫陰極。該技術(shù)有望制造出重量更輕、性能更好、價(jià)格更便宜的電動(dòng)汽車電池。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然·通訊》雜志上。

由滑鐵盧大學(xué)化學(xué)教授琳達(dá)·納扎爾和她的研究小組發(fā)現(xiàn)的這種新材料能夠保持硫陰極的穩(wěn)定性，克服了目前制造鋰硫電池所面臨的主要障礙。在理論上，同樣重量的鋰硫電池不但能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車提供三倍于目前普通鋰離子電池的續(xù)航時(shí)間，還會(huì)比鋰離子電池更便宜。納扎爾教授同樣是加拿大固態(tài)能源材料研究中心主任，她說，這是一項(xiàng)重大的進(jìn)步，讓高性能的鋰硫電池近在眼前。

納扎爾的團(tuán)隊(duì)對(duì)鋰硫電池技術(shù)的研究，最初為人所知是在2009年。當(dāng)時(shí)，他們發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文，用納米材料證明了鋰硫電池的可行性。理論上，相對(duì)于目前在鋰離子電池中所使用的鋰鈷氧化物，作為陰極材料，硫更富有競爭力。因?yàn)榱虿牧蟽?chǔ)量豐富，重量輕且便宜。但不幸的是，由于硫會(huì)溶解到電解質(zhì)溶液當(dāng)中，形成硫化物，用硫制成的陰極僅僅幾周后就會(huì)消耗殆盡，從而導(dǎo)致電池失效。

納扎爾的研究小組最初認(rèn)為多孔碳或石墨烯能夠通過誘捕的方式將多硫化物穩(wěn)定下來。但是一個(gè)讓他們意想不到的轉(zhuǎn)折是，事實(shí)并非如此，最終的答案既不是多孔碳也不是多孔石墨烯，而是金屬氧化物。

他們最初關(guān)于金屬氧化物的研究曾發(fā)表在去年8月出版的《自然·通訊》雜志上。雖然研究人員自那以后發(fā)現(xiàn)，二氧化錳納米片比二氧化鈦性能更好，但新的論文主要是闡明它們的工作機(jī)制。

納扎爾說：“在開發(fā)出新的材料之前，你必須專注于這一現(xiàn)象，找到它們的運(yùn)行機(jī)理。”研究人員發(fā)現(xiàn)，超薄二氧化錳納米片表面的化學(xué)活性能夠較好地固定硫陰極，并最終制成了一個(gè)可循環(huán)充電超過2000個(gè)周期的高性能陰極材料。

研究人員稱，這種材料表面的化學(xué)反應(yīng)與1845年德國硫化學(xué)黃金時(shí)代發(fā)現(xiàn)的瓦肯羅德爾溶液中的化學(xué)反應(yīng)類似。納扎爾說：“具有諷刺意味的是，現(xiàn)在已經(jīng)很少有科學(xué)家研究甚至是講授硫化學(xué)了。于是我們不得不去找很久之前的文獻(xiàn)，來了解這種可能從根本上改變我們未來的技術(shù)。”

論文第一作者、滑鐵盧大學(xué)博士后蕭亮(音譯)和研究生康納·哈特、龐泉(音譯)還發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯似乎也有著類似的工作機(jī)制。他們目前正在調(diào)查其他氧化物，以確定最有效的硫固定材料。

據(jù)悉，納扎爾教授將在美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)(AAAS)年會(huì)上對(duì)這種鋰硫電池技術(shù)作出更為詳細(xì)的介紹。