锂硫电池的终极王者进化,性能远超锂电。

2020-09-03 09:26 ryder

2008年7月下旬,一架英国太阳能飞机在高空连续飞行了三天,创造了非官方的飞行耐力记录。也许鲜有人知道,锂硫(Li-S)电池成为其部件中最伟大的技术进步之一,它在夜间为飞机提供动力,其效率即便是当时的顶级电池也无法比拟。

 

  十年后,世界似乎仍在等待Li-S电池商业化到来。德雷克塞尔大学研究人员的突破刚刚消除了阻碍其生存的巨大障碍。

  技术公司已经了解到这样一个事实:无论是笔记本电脑、手机还是电动汽车的发展,都取决于电池性能的稳步改善。技术只有在电池允许的情况下才能向前推动,锂离子电池 - 目前被认为是市场上最好的电池 - 正在达到改进的极限。

  随着电池性能接近稳定,一些公司正试图通过挤压、减小一些对能量存储没有贡献的内部组件的大小,以期将最后一个伏特塞入存储设备。这些结构变化会带来一些不幸的副作用,例如2016年三星手机出现的一系列爆炸事故。


电池爆炸后的三星手机(图片来自于网络)

  研究人员和技术企业正在研究如何将锂硫(Li-S)电池最终取代锂离子电池,因为这种新的化学反应从理论上讲,可以将更多的能量装入单个电池中 - 这一措施称为电池研发中的能量密度。这种改进带来的容量,大约是锂离子电池的5-10倍,相当于电池在这次充电与下一次充电之间的运行时间更长。

  问题是,在完成最初的几次充电后,Li-S电池无法继续保持其优越的容量。事实证明,硫作为提高能量密度的关键成分,会以“多硫化物”的中间产物的形式从电极迁移,导致这种关键成分的损失和再充电过程中的性能下降。


多年来科学家们一直试图稳定Li-S电池内部产生这些多硫化物的反应,但大多数尝试都会产生其他复杂情况,例如为电池增加重量、需要昂贵的材料或添加几个复杂的加工步骤。

  但是现在有一种新方法诞生了,Drexels工程学院的研究人员在最近一期美国化学学会期刊《应用材料与接口》杂志上发表的一篇题​​为“一氧化钛(TiO)纳米纤维作为Li-S电池中多硫化物固定剂”的报告:路易斯酸碱相互作用的证据,表明它可以将多硫化物固定到位,保持这种电池令人印象深刻的耐力,同时减少整体重量和生产它们所需的时间。

  我们已经创造了独立式多孔一氧化钛纳米纤维毡作为锂硫电池中的阴极主体材料,Vibha Kalra博士说。他是工程学院的助理教授,主要研究作者。“这是一个重大的发展,因为我们发现我们的一氧化钛 - 硫阴极具有高导电性,能够通过强烈的化学相互作用结合多硫化物,这意味着它可以增强电池的比容量,同时保持其令人印象深刻的性能。我们还可以证明这可以完全取消阴极侧的粘合剂和集电器,它们占电极重量的30-50% - 我们的方法只需几秒钟即可形成硫阴极。目前的标准可能需要将近半天。”

  他们的研究结果表明纳米纤维垫在微观层面上类似鸟巢,是一个优秀的硫阴极平台,因为它可以吸引和捕获电池使用时产生的多硫化物。将多硫化物保持在阴极结构中可防止穿梭,这是当它们溶解在电池中的阴极与阳极分离的电解质溶液中时发生的性能下降现象。

  据Kalra介绍,这种阴极设计不仅可以帮助Li-S电池保持其能量密度,而且还可以在没有增加会导致重量和生产成本提高的额外材料的情况下实现这一目标。

  为了实现这些双重目标,该团队对此进行了深入研究。包括反应机理和多硫化物的形成,以更好地了解电极主体材料如何帮助它们。

  这项研究表明,阴极中一氧化钛和硫之间存在强烈的路易斯酸碱相互作用,可防止多硫化物产生进入电解质,这是电池性能下降的主要原因,该论文作者之一,Kalras实验室的博士后研究员Arvinder Singh博士说。

  这意味着他们的阴极设计可以帮助Li-S电池保持其能量密度 - 并且在没有额外材料增加重量和生产成本的情况下进行,Kalra.Kalras先前对纳米纤维电极的研究表明它们是具有多种优势的过电流电池组件。它们具有比当前电极更大的表面积,这意味着它们可以在充电期间适应膨胀,这可以提高电池的存储容量。通过填充电解质凝胶,它们可以消除设备中的易燃成分,最大限度地减少它们对泄漏、火灾和爆炸的敏感性。

  它们通过静电纺丝过程创建,看起来像制作棉花糖,这意味着它们比标准的基于粉末的电极更有优势,传统电极在生产过程中需要使用绝缘和可能使性能恶化的粘合剂化学品。


静电纺丝的创建过程,看起来像制作棉花糖。(图片来自于网络)

  为了生产无粘结剂、独立式阴极平台以改善电池性能,Kalras实验室开发了一种快速硫沉积技术,只需五秒钟即可将硫加入其基材。

  “该程序将硫熔化到纳米纤维垫中,在140摄氏度的轻微压力环境中 - 无需耗时的加工或使用混合有毒的化学品,同时改善阴极长时间使用后能够保持有效性。我们的Li-S电极提供正确的结构,”Kalra表示,“在电池循环过程中,最大限度地减少容量衰减,这是Li-S电池商业化的一个最主要障碍。”

  “我们的研究表明,这些电极的持续有效容量是目前锂离子电池的四倍。而我们新颖、低成本的方法在几秒钟内就能造出硫化阴极,这消除了制造的重大障碍。”


无论是笔记本电脑、手机还是电动汽车的发展,都取决于电池性能的稳步改善。技术只有在电池允许的情况下才能向前推动,锂离子电池 - 目前被认为是市场上最好的电池 - 正在达到改进的极限。(图片来自于网络)

  自2008年Zephyr-6s太阳能飞机创纪录的飞行以来,许多公司已投资开发Li-S电池,希望增加各种电动汽车的续航,使移动设备在充电间隔持续更长的使用时间,甚至帮助整个能源网络来适应风能和太阳能的间歇性。Kalras的工作现在为这种电池技术提供了一条可以打破一系列阻碍的发展途径。

  该团队将继续开发其Li-S阴极,目标是进一步改善循环寿命、减少多硫化物的形成和减少成本。

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