2008年7月下旬，一架英國(guó)太陽(yáng)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(dòng)力，其效率即便是當(dāng)時(shí)的頂級(jí)電池也無(wú)法比擬。

十年后，世界似乎仍在等待Li-S電池商業(yè)化到來(lái)。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(gè)事實(shí)：無(wú)論是筆記本電腦、手機(jī)還是電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)，鋰離子電池-目前被認(rèn)為是市場(chǎng)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(guò)擠壓、減小一些對(duì)能量存儲(chǔ)沒(méi)有貢獻(xiàn)的內(nèi)部組件的大小，以期將最后一個(gè)伏特塞入存儲(chǔ)設(shè)備。這些結(jié)構(gòu)變化會(huì)帶來(lái)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(gè)電池中-這一措施稱(chēng)為電池研發(fā)中的能量密度。這種改進(jìn)帶來(lái)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(shí)間更長(zhǎng)。

問(wèn)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(huì)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(guò)程中的性能下降。

多年來(lái)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(huì)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(gè)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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L(zhǎng)i-S電池中多硫化物固定劑”的報(bào)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(shí)減少整體重量和生產(chǎn)它們所需的時(shí)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，VibhaKalra博士說(shuō)。他是工程學(xué)院的助理教授，主要研究作者。“這是一個(gè)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(guò)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(shí)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(lèi)似鳥(niǎo)巢，是一個(gè)優(yōu)秀的硫陰極平臺(tái)，因?yàn)樗梢晕筒东@電池使用時(shí)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(yáng)極分離的電解質(zhì)溶液中時(shí)發(fā)生的性能下降現(xiàn)象。

據(jù)Kalra介紹，這種陰極設(shè)計(jì)不僅可以幫助Li-S電池保持其能量密度，而且還可以在沒(méi)有增加會(huì)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(duì)對(duì)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ArvinderSingh博士說(shuō)。

這意味著他們的陰極設(shè)計(jì)可以幫助Li-S電池保持其能量密度-并且在沒(méi)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(duì)納米纖維電極的研究表明它們是具有多種優(yōu)勢(shì)的過(guò)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(chǔ)容量。通過(guò)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(duì)泄漏、火災(zāi)和爆炸的敏感性。

它們通過(guò)靜電紡絲過(guò)程創(chuàng)建，看起來(lái)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(shì)，傳統(tǒng)電極在生產(chǎn)過(guò)程中需要使用絕緣和可能使性能惡化的粘合劑化學(xué)品。

為了生產(chǎn)無(wú)粘結(jié)劑、獨(dú)立式陰極平臺(tái)以改善電池性能，Kalras實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(wú)需耗時(shí)的加工或使用混合有毒的化學(xué)品，同時(shí)改善陰極長(zhǎng)時(shí)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(guò)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(gè)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(wú)論是筆記本電腦、手機(jī)還是電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)，鋰離子電池-目前被認(rèn)為是市場(chǎng)上最好的電池-正在達(dá)到改進(jìn)的極限。

自2008年Zephyr-6s太陽(yáng)能飛機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄的飛行以來(lái)，許多公司已投資開(kāi)發(fā)Li-S電池，希望增加各種電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航，使移動(dòng)設(shè)備在充電間隔持續(xù)更長(zhǎng)的使用時(shí)間，甚至幫助整個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)風(fēng)能和太陽(yáng)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(duì)將繼續(xù)開(kāi)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。