查默斯理工大學研究人員利用石墨烯氣凝膠 或有利於推進鋰硫電池的...

2020-12-03 蓋世汽車網

（圖片來源：Yen Strandqvist/瑞典查默斯理工大學）

蓋世汽車訊 據外媒報導，為了適應電氣化未來的需求，需要研發新型電池技術，其中一個選擇就是鋰硫電池，與鋰離子電池相比，理論上來說，此種電池能量密度要高5倍。最近，瑞典查默斯理工大學（Chalmers University of Technology）的研究人員在石墨烯海綿（graphene sponge）的幫助下，利用陰極電解液，在此種電池的研發上獲得了突破。

研究人員的想法非常新穎，利用一種由還原氧化石墨烯製成的多孔、類似海綿的氣凝膠，當作電池的獨立電極，從而更好地利用硫、提高利用率。

傳統電池由四部分組成，首先，有兩個覆蓋活性物質的支撐電極，即陽極和陰極；它們之間是電解質，通常是液體，可讓離子來迴轉移；第四個部分是分離器，作為物理屏障，可防止兩個電極接觸的同時，允許離子轉移。

此前，研究人員曾嘗試將陰極和電解質結合在一起，成為「陰極電解液」。該概念有助於減輕電池重量，同時使充電速度更快，供電能力更強。現在，由於石墨烯氣凝膠得到了發展，該概念被證明有效可行，而且前景很好。

首先，研究人員在一個標準電池盒內注入薄薄的一層多孔石墨烯氣凝膠。查默斯理工大學物理系兼本研究的首席研究員Carmen Cavallo表示：「氣凝膠是一個長瘦型的圓柱體，將它像切義大利香腸一樣切成薄片，然後將薄片擠壓放入電池。然後再拿一種含硫豐富的溶液，即陰極電解液，加入到該電池中。多孔氣凝膠作為支撐，會像海綿一樣吸收該溶液。」

「石墨烯的多孔結構是關鍵，可吸收大量陰極電解液，得到足夠的硫，進而使陰極電解液概念得以實現。此類半液體陰極電解液非常有必要，可以在硫循環的過程中不損失任何硫，由於硫已經溶解在陰極電解液中，因此不會因溶解而損失」。

為了使陰極電解液發揮其電解質的作用，還在分離器中加入了部分陰極電解液，這也最大限度地提高了電池的硫含量。

目前，大多數商用電池都是鋰離子電池，但是此種電池的發展已接近極限，為了滿足更高的要求，尋找新型化學方法變得更加重要。而鋰硫電池具有多個優點，如能量密度更高。目前，市場上最好的鋰離子電池的工作效率為300瓦時/千克，理論上說，最大可達350/千克。而理論上來說，鋰硫電池的能量密度約為1000至1500瓦時/千克。

查默斯理工大學物理系教授兼此次研究主導人Aleksandar Matic表示：「此外，硫很便宜，儲量豐富，而且更加環保。此外，鋰離子電池中普遍含有對環境有害的氟，而鋰硫電池卻沒有。」

目前為止，鋰硫電池的問題在於不夠穩定，導致循環壽命短。但是在查默斯理工大學的研究人員在測試新電池原型時，發現新電池在350次循環後，仍保持85%的容量。

新設計避免了硫鋰電池降解過程中的兩個主要問題，一個是硫溶解到電解質中而丟失，另一個是硫分子從陰極遷移到陽極的「穿梭效應」。在這個設計中，此類問題的影響都被大大減少了。

但是，研究人員指出，該項技術要完全發揮市場潛力仍還有很長一段路要走。Aleksandar Matic表示：「由於此種電池的生產方式不同於大多數正常電池，因此還需要研發新的生產工藝，以實現該電池的商業化。」

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