锂硫电池风头正盛

2014年，空客的“泽法7”无人驾驶飞行器使用锂硫电池连续飞行了11天。

资料来源:空中客车公司

请接电话，泰斯拉。英国阿宾顿的初创企业——奥克斯能源公司的研究人员正在使用锂和硫的组合来制造电池。与目前电动汽车中使用的锂离子电池相比，这种新开发的电池每千克可以储存将近两倍的能量。然而，它们不会持续很长时间，并且在大约100次充电和放电循环后会失效。然而，该公司认为，对于无人机、潜艇和士兵携带的动力包等用途来说，重量比价格或生命更重要。Oxis的小型测试工厂的目标是每年生产10，000到20，000节电池。这些电池将被装在一个手机大小的薄袋里。

这不是一个超级工厂，至少现在不是。但是Oxis的首席技术官大卫·安斯沃斯说，该公司正在瞄准一个更大的“蛋糕”:价值1000亿美元的电动汽车市场。“未来几年至关重要。”安斯沃思说，他和其他人认为锂硫电池是锂离子电池的“接班人”，并将成为主导电池技术。

他们受到一系列最新报道的启发。该报告称，这项技术面临的许多性能和耐用性挑战是可以克服的。“你将看到许多领域的进步。”美国劳伦斯·伯克利国家实验室的化学家布雷特·赫尔姆斯说。然而，像加拿大滑铁卢大学的化学家、锂硫电池的先驱琳达·纳扎尔这样的人是谨慎的。她认为，制造高容量、低成本、重量轻、体积小且安全的锂硫电池“确实是一项艰巨的任务”。改善一个因素通常会以牺牲其他因素为代价。"你不能同时优化所有的因素."纳扎尔说。

锂离子电池包括两个电极-阴极和阳极。两者被一种液体电介质分隔开，这种电介质在充电过程中来回移动锂离子。在阳极，锂原子夹在高导电性的碳石墨层之间。当电池放电时，锂原子释放电子并产生电流。由此获得的带正电的锂离子移动到电解质中。在给从手机到特斯拉汽车的所有东西供电后，电子最终回到阴极，阴极通常由不同金属氧化物的混合物制成。在那里，电解质中的正锂离子“依偎”在吸收了通过电子的金属原子附近。充电逆转了这种分子模式，因为施加的电压会将锂离子从它们的金属主体推开，并推回到阳极。

金属氧化物阴极是可靠的，但这些金属通常是钴、镍和锰的混合物，价格昂贵。同时，这些阴极非常重，因为它需要两个金属原子“联手”来固定一个电子。这将电池的性能限制在大约200瓦时/千克。硫便宜得多，每个硫原子有两个电子。理论上，带有硫阴极的电池可以储存500瓦时/千克或更多。

然而，硫不是电极的理想材料。首先，它是绝缘的:它不能通过阳极将电子转化为锂离子。2009年，发生了一件大事:纳扎尔领导的一个研究小组发现硫可以嵌入由导电碳制成的阴极，就像阳极一样。尽管这种方法有效，但它也带来了其他问题。像石墨这样的碳形式具有很高的孔隙率。这增加了电池的整体尺寸，但存储性能没有提高。这意味着需要更昂贵的液体电介质来填充这些孔隙。更严重的是，当锂离子在阴极与硫原子结合时，它们会反应形成可溶性分子，称为多硫化物。这些分子漂移，使阴极退化，并限制了充电循环的次数。多硫化物也会迁移到阳极。在那里，它们会造成进一步的损害。

今天，所有领域都取得了突破。这三个小组在解决阴极问题上取得了进展。例如，去年，赫尔姆斯领导的研究小组在《自然通讯》上报道说，他们在碳硫阴极上添加了一层聚合物，从而封装了多硫化物，使电池在100次充电循环后仍能继续使用。由德克萨斯大学研究员阿鲁姆甘·曼特海姆领导的另一个小组，用厚度只有一个原子的高导电性片状石墨代替了阴极中的石墨。正如他们在1月12日出版的《美国化学学会能源快报》上报道的那样，新型石墨阴极的硫含量是传统石墨阴极的五倍，因此极大地改善了能量储存。最近，由中国厦门大学化学家郑南峰领导的团队在《焦耳》杂志上报道，他们通过在掺氮碳粒子上放置薄聚丙烯片，创造出了一种超薄“隔板”。它位于阴极上，可以“捕获”多硫化物，并将其转化为无害的锂硫颗粒。这增加了电池的能量输出，并帮助它们在500次充电循环后继续使用。

阿尔贡国家实验室能源储存研究联合中心主任乔治·克拉布特里说，所有这些发展将有助于促进锂硫电池的进一步发展。“很难说这些是否是最终的突破，但我很乐观。”克拉布特里说。(宗华编译)

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