研究人员利用石墨烯气凝胶助锂硫电池突破

据外媒报道,为了适应电气化未来的需求,需要研发新型电池技术,其中一个选择就是锂硫电池,与锂离子电池相比,理论上来说,此种电池能量密度要高5倍。最近,瑞典查默斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员在石墨烯海绵(graphene sponge)的帮助下,利用阴极电解液,在此种电池的研发上获得了突破。

研究人员的想法非常新颖,利用一种由还原氧化石墨烯制成的多孔、类似海绵的气凝胶,当作电池的独立电极,从而更好地利用硫、提高利用率。

传统电池由四部分组成,首先,有两个覆盖活性物质的支撑电极,即阳极和阴极;它们之间是电解质,通常是液体,可让离子来回转移;第四个部分是分离器,作为物理屏障,可防止两个电极接触的同时,允许离子转移。

此前,研究人员曾尝试将阴极和电解质结合在一起,成为“阴极电解液”。该概念有助于减轻电池重量,同时使充电速度更快,供电能力更强。现在,由于石墨烯气凝胶得到了发展,该概念被证明有效可行,而且前景很好。

首先,研究人员在一个标准电池盒内注入薄薄的一层多孔石墨烯气凝胶。查默斯理工大学物理系兼本研究的首席研究员Carmen Cavallo表示:“气凝胶是一个长瘦型的圆柱体,将它像切意大利香肠一样切成薄片,然后将薄片挤压放入电池。然后再拿一种含硫丰富的溶液,即阴极电解液,加入到该电池中。多孔气凝胶作为支撑,会像海绵一样吸收该溶液。”

“石墨烯的多孔结构是关键,可吸收大量阴极电解液,得到足够的硫,进而使阴极电解液概念得以实现。此类半液体阴极电解液非常有必要,可以在硫循环的过程中不损失任何硫,由于硫已经溶解在阴极电解液中,因此不会因溶解而损失”。

为了使阴极电解液发挥其电解质的作用,还在分离器中加入了部分阴极电解液,这也最大限度地提高了电池的硫含量。

目前,大多数商用电池都是锂离子电池,但是此种电池的发展已接近极限,为了满足更高的要求,寻找新型化学方法变得更加重要。而锂硫电池具有多个优点,如能量密度更高。目前,市场上最好的锂离子电池的工作效率为300瓦时/千克,理论上说,最大可达350/千克。而理论上来说,锂硫电池的能量密度约为1000至1500瓦时/千克。

查默斯理工大学物理系教授兼此次研究主导人Aleksandar Matic表示:“此外,硫很便宜,储量丰富,而且更加环保。此外,锂离子电池中普遍含有对环境有害的氟,而锂硫电池却没有。”

目前为止,锂硫电池的问题在于不够稳定,导致循环寿命短。但是在查默斯理工大学的研究人员在测试新电池原型时,发现新电池在350次循环后,仍保持85%的容量。

新设计避免了硫锂电池降解过程中的两个主要问题,一个是硫溶解到电解质中而丢失,另一个是硫分子从阴极迁移到阳极的“穿梭效应”。在这个设计中,此类问题的影响都被大大减少了。

但是,研究人员指出,该项技术要完全发挥市场潜力仍还有很长一段路要走。Aleksandar Matic表示:“由于此种电池的生产方式不同于大多数正常电池,因此还需要研发新的生产工艺,以实现该电池的商业化。”