2008年七月下旬，一架英國太陽能飛機(jī)在高空持續(xù)飛行了三天，創(chuàng)造了非官方的飛行耐力記錄。也許鮮有人了解，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)供應(yīng)動力，其效率即便是當(dāng)時的優(yōu)秀電池也無法比擬。

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：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用途，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)公司正在研究如何將鋰硫(Li-S)電池最終取代鋰離子電池，因為這種新的化學(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)部出現(xiàn)這些多硫化物的反應(yīng)，但大多數(shù)嘗試都會出現(xiàn)其他復(fù)雜情況，例如為電池新增重量、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：路易斯酸堿相互用途的證據(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，VibhaKalra博士說。他是工程學(xué)院的助理教授，重要研究作者。“這是一個重大的發(fā)展，因為我們發(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)相互用途結(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，因為它可以吸引和捕獲電池使用時出現(xiàn)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，而且還可以在沒有新增會導(dǎo)致重量和生產(chǎn)成本提高的額外材料的情況下實現(xiàn)這一目標(biāo)。

為了實現(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用途，可防止多硫化物出現(xiàn)進(jìn)入電解質(zhì)，這是電池性能下降的重要原因，該論文作者之一，Kalras實驗室的博士后研究員ArvinderSingh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新增重量和生產(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加有優(yōu)勢，傳統(tǒng)電極在生產(chǎn)過程中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、獨立式陰極平臺以改善電池性能，Kalras實驗室開發(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電極供應(yīng)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)化的一個最重要障礙。”

“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，希望新增各種電動汽車的續(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)供應(yīng)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。