锂硫电池关键障碍被突破 容量三倍于普通锂电池

随着电动汽车越来越受欢迎，科学家们看到了锂硫电池的巨大潜力，它是一种更环保的驱动方式。这是因为它们不依赖昂贵且难以获取的原材料，例如钴，但诸如稳定性等问题迄今为止阻碍了该项技术的发展。

近期，美国德雷塞尔大学（Drexel University）的工程师们已经取得了一项突破性进展，他们说，通过利用一种硫的稀有化学相来防止破坏性化学反应，这使锂硫电池更接近于商业用途。这项研究成果已于近期发表在了《通信化学》杂志上。

锂硫电池在能源存储方面前景广阔，这不仅仅是因为硫储量丰富，而且与当今电池中使用的钴、锰和镍相比，硫的来源不成问题。同时，锂硫电池可能还会带来一些显著的性能提升，其存储能量的潜力是目前锂离子电池的几倍。但有一个问题一直困扰着科学家，那就是多硫化物的形成。

当电池工作时，这些物质进入电解液中并引发化学反应，损害电池的容量和寿命。科学家们已经成功地用一种不与多硫化物发生反应的醚电解质取代了碳酸盐电解质。但这也带来了其他问题，因为乙醚电解质本身极易挥发，并且含有低沸点的成分，这意味着如果加热到室温以上，电池可能很快就会失效或熔化。

因此，德雷塞尔大学的化学工程师一直在研究另一种解决方案，他们从设计一种新的阴极开始，这种阴极可以与已经在商业应用中的碳酸盐电解质一起工作。这种阴极是由碳纳米纤维制成的，已经被证明可以减缓多硫化物在醚电解质中的移动。但是让它与碳酸盐电解质一起工作需要一些实验。

首席研究员Vibha Kalra表示，“对于商业制造商来说，目前使用的碳酸盐电解液可以作为阴极，这是阻力最小的途径。因此，我们的目标不是推动行业采用一种新的电解液，而是制造一种可以在现有锂离子电解液系统中工作的阴极。”

科学家们试图使用一种称为蒸汽处理的技术将硫限制在碳纳米纤维网中，以防止危险的化学反应。尽管这并没有达到预期的效果，但以一种意想不到的方式结晶了硫，并将其变成了一种叫做单斜伽马相硫的东西，这是一种元素略微改变的形式。

据悉，这种硫的化学相只能在实验室的高温下产生或在自然界的油井中观察到。研究人员则意外发现，它不与碳酸盐电解质反应，从而消除了形成多硫化物的风险。

“起初，很难相信这是我们所检测到的，因为在之前的所有研究中，单斜晶硫在95°C（203°F）下一直不稳定，”该研究的合著者Rahul Pai说，“在上个世纪，只有少数研究产生了单斜伽马硫，并且最多只能稳定20-30分钟。但我们在阴极中创造了它，该阴极经历了数千次充放电循环而性能没有下降。一年后，我们对它的检查表明化学相保持不变。”

经过一年的测试和4000次充放电循环，阴极保持稳定，科学家说，这相当于10年的常规使用。该团队用这种负极制作的电池原型，可以提供标准锂离子电池三倍的容量，为更环保的电池铺平了道路，使电动汽车在每次充电后能行驶更远。

Kalra说，“虽然我们仍在努力了解这种在室温下保持稳定的单斜晶硫生成背后的确切机制，但这仍然是一个令人兴奋的发现，它可以为开发更可持续和更经济的电池技术打开许多扇门。”