研究人員利用石墨烯氣凝膠助鋰硫電池突破

研究人員利用石墨烯氣凝膠助鋰硫電池突破

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註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,將它像切意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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