南丁格尔奖最新动态:低成本、高能量锂硫电池迎来技术突破-材料科技在线

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伯克利实验室电池科学家柳高正在检查电池样品。图片来源:伯克利实验室
锂硫电池作为一种低成本、高能量的电池,对于车辆和电网应用均具有巨大潜力。但是,它们都有一个显著的缺点,那就是使用一段时间后,电池容量会显著衰退。如今,来自能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的科学家们已经有了一个惊人的发现,可以解决这个问题。
在柳高领导的研究中,研究小组意外发现,海藻衍生物卡拉胶可以作为锂硫电池的稳定剂,其出色的稳定性可以使电池的寿命得到大幅度的提高。他们的研究成果发表在《纳米能量》杂志上,题为“Nucleophilic substitution between polysulfides and binders unexpectedly stabilizing lithium sulfur battery”。
这篇文章的作者柳高说:“目前,很多领域对能源储存都有很大需求,但很少有化学物质可以满足成本要求。硫磺是一种成本很低的材料——它几乎是免费的,而且能量容量远高于锂离子,所以锂硫是一种很有可能满足要求的化学物质。”
目前,可充电的锂硫电池有一些有限的商业应用,但化学中的“关键杀手”——硫开始溶解,会形成所谓的多硫化物穿梭效应。在试图解决这个问题时,柳高试验了粘结剂的效果,这是一种将所有活性材料粘结在一起的物质。
柳高指出:“粘合剂就像胶水,而通常电池设计师想要一种惰性的胶水。我们尝试的这种粘合剂效果很理想,探其究竟,我们发现这是由于发生了化学反应——粘合剂与多硫化物反应,形成了共价键结构。”
通过与硫产生的化学反应,粘合剂能够阻止其溶解。一旦研究人员发现了这一点,他们就会继续寻找一种自然界中的物质来做同样的事情,这便是卡拉胶。它是一种从红色海藻中提取的物质,与其原始实验中使用的合成聚合物有相同的官能团(或原子群,具有相似的化学反应)曾子丹。英巴图
柳高说:“我们找了一些经济实惠的东西阿比·克兰茜。结果发现,卡拉胶被用作食品增稠剂,它实际上和合成聚合物一样有效,像胶水一样,固定了多硫化物,形成了一个非常稳定的电极。”原位反应可视化
他与伯克利实验室高级光源研究组的郭静华展开合作靳爱兵,进行了他的研究。该研究组光源是世界上最亮的紫外线和软X射线光源之一。
郭静华说:“光源提供了一种独特的X射线工具。我们希望在电池充电时,能同时监测电化学。南丁格尔奖在这种情况下,我们用这些材料制造了一个专用的电池单元,然后用X射线来监测原位条件下的工艺过程。”
柳高补充说:“你不能在别的地方做这样的实验王传福老婆。在这种情况下,我们有一个独特的光束来检测硫。原位设计工具总是需要付出很多努力,原位很容易,但在这种情况下,它并不会有结果。而用原位电池,我们能够观察到硫磺的去向。观察结果是,它不会去任何地方,这真的很酷。”
通用汽车公司是伯克利实验室能源存储与分布资源部门的行业研究合作伙伴,该公司也证实了刘先生的研究成果。柳高说:“他们对其进行了独立测试霍思纬,并且看到了同样的效果浮生偷欢,而且实际上稳定性更好。”自由基分离
柳高指出,这一结果开辟了一种全新的电池化学思维方式武智冲。他说:“从科学的角度看,这是一个完全不同的概念,粘合剂是反应性的而不是惰性的。但人们不这样认为,他们认为一个粘合剂的作用就是将物体固定在一起。而我们发现高县天气预报,事实并不是这样:我们需要一种用化学键来合聚硫的方法。”
多年来,柳高和他的团队一直在研究锂硫电池。他们去年在《纳米快报》上发表了一篇论文张琰琰老公,介绍了一种新型的锂硫电极结构,该结构基于自然界的超级高效蚁巢。
随着这一稳定锂硫电池技术的突破,柳高正在寻求进一步提高锂硫电池使用寿命的方法。他说道,“我们想要达到数千个周期。”
锂硫电池的能量密度是锂离子电池的两倍之多,现如今在市场上占主导地位。它们的重量也更轻,因此它们在飞机和无人机上有潜在的应用众夫盈门。事实上,在2010年,在一架太阳能无人机的14天飞行中,锂硫电池为其夜间飞行提供了动力。”
柳高、郭静华以及他们的团队将继续致力于电池中的化学反应研究。柳高表示:“这种聚合物与硫结合后,接下来会发生什么?它与硫反应如何?是否可逆斯摩卡?了解这些将使我们能够找到更好的方法来进一步提高锂硫电池的使用寿命。”