锂硫电池研究新进展 特殊硫化物不会与碳酸盐电解质发生反应

颗粒在线讯：随着电动汽车的不断普及，科学家们也在努力寻找更具潜力和环保的动力电池。近日，德雷克塞尔大学的一支工程师团队，就在《自然通讯化学》期刊上介绍了他们的新型锂硫电池。与依赖于昂贵原材料（比如钴元素）、且存在诸多问题阻碍的竞品相比，这项新研究突破，极大地推进了锂硫电池的商业化进程。

研究配图 - 1：锂硫电池在碳酸盐基电解质中的放电示意图

通过利用硫的稀有化学相，研究人员得以防止电池中发生破坏性的化学反应，并且有望于未来的 EV 动力电池市场展现其巨大的性能潜力。

与镍、钴、锰相比，锂硫电池的一大前景，在于硫元素的储量相当丰富、成本足够低廉、且性能优势也更加显著（或数倍于当今的锂离子电池）。

研究配图 - 2：CNF 材料表征（来自：Nature Communications Chemistry）

但在投入商业化应用之前，科学家们还得攻克一个难关 —— 那就是形成所谓的多硫化物。

随着电池的运行，它们会进入于阴阳两极之间来回传输电荷的电解质溶液，并在那里发生化学反应，从而影响电池的容量和寿命。

研究配图 - 3：CNFs / γ-CNFs 相、及其表面特征

此前科学家们已经成功地将碳酸盐电解质换成了醚电解质，后者的最大特点，就是不会与多硫化物产生反应。

不过这也带来了新的问题，毕竟醚电解质本身具有高度的挥发性、且含有低沸点成分 —— 意味着若加热至室温以上，电池很可能迅速失效或熔化。

研究配图 - 4：γS-CNFs 的电化学表征

有鉴于此，德雷克塞尔大学（Drexel.edu）的化学工程师们，一直在潜心研究另一套解决方案 —— 从设计一种新的阴极开始。

据悉，新型阴极能够与当前已投入商用的碳酸盐电解质一同工作。其由碳纳米纤维制成，此前已被证明能够减缓多硫化物在醚电解质中的移动。

当然，想要验证新型阴极材料可与碳酸盐电解质完美协同使用，仍绕不开一些必须完成的工作。

研究配图 - 5：γS-CNF 的倍率性能和高负载分析

首席研究员 Vibha Kalra 指出：对于商业制造商来说，这是化解碳酸盐电解质应用难题的一个最佳途径。

他们的目标不是推动行业去采用全新的电解质，而是制造一种可在现有的锂离子电解质系统中工作的新型阴极。

研究配图 - 6：充放电循环后的 SEM / TEM 分析

研究团队先是尝试运用了一种被称作蒸汽处理的技术，以将硫束缚在碳纳米纤维网中、从而防止危险的化学反应，但遗憾没有取得预期的效果。

不过歪打正着的是，事实证明他们以一种意想不到的方式形成了硫结晶，并将之转变成了一种被称作“单斜伽马相硫”的物质（算是元素的一种轻微形变）。

研究配图 - 7：充放电循环后的 XRD / XPS 分析

这种硫化物的化学相，通常只能在实验室的高温环境、或自然界的油井中观察到。

但对科学家们来说，其最大的优势，就是不会与碳酸盐电解质发生不必要的反应，从而消除了形成多硫化物的潜在风险。