锂硫电池的新技术可开辟电池的新途径

　　阿贡国家实验室的研究人员开发了一种氧化还原活性中间膜，以防止锂硫电池中硫阴极的溶解这种新设计增加了储能容量并减少了穿梭效应，从而在数百个循环中实现了高容量和使用寿命锂硫电池可以充分发挥其潜力，其大众市场生产可能对能源行业产生重大影响
　　随着锂硫电池耐久性问题的解决，它可能成为未来广泛应用的储能设备
　　久负盛名的阿贡国家实验室的一个研究小组已经建造并测试了一种新的中间膜，以防止锂硫电池中的硫阴极溶解。这种新的中间膜增加了LiS电池的容量，并在数百个循环中保持了它。通过这种新设计，锂硫电池可以充分发挥其潜力。
　　关于这项研究的论文发表在《自然通讯》（NatureCommunications）上。
　　电池为日常生活的大部分内容供电，从手机和智能手表到越来越多的电动汽车。这些设备中的大多数都使用众所周知的电池化学成分，称为锂离子电池技术。虽然锂离子电池自首次推出以来已经走了很长一段路，但它们也有一些熟悉的缺点，例如寿命短、过热和某些原材料的供应链挑战。
　　美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家正在通过测试电池结构中的新材料来研究这些问题的解决方案。其中一种材料是硫磺。硫非常丰富且具有成本效益，可以比传统的离子基电池容纳更多的能量。
　　在这项新研究中，研究人员通过在电池内创建一层来增加能量存储容量，同时几乎消除了导致腐蚀的硫电池的传统问题，从而推进了硫基电池的研究。
　　阿贡高级光子源的光束线华人科学家WenqianXu指出：这些结果表明，氧化还原活性中间膜可能对LiS电池的发展产生巨大影响。我们离在日常生活中看到这项技术又近了一步。
　　阿贡实验室华人科学家WenqianXu
　　有前途的电池设计将含硫正极（阴极）与锂金属负极（阳极）配对。在这些组件之间是电解质，或允许离子在电池两端之间通过的物质。
　　早期的锂硫（LiS）电池表现不佳，因为硫物质（多硫化物）溶解到电解质中，导致其腐蚀。这种多硫化物穿梭效应会对电池寿命产生负面影响，并降低电池可以充电的次数。
　　为了防止这种多硫化物穿梭，以前的研究人员尝试在阴极和阳极之间放置一个氧化还原非活性中间层。术语氧化还原无活性是指材料不会像电极中的反应那样发生反应。但这种保护性中间膜又重又致密，降低了电池每单位重量的储能容量。它也不能充分减少穿梭。这已被证明是锂硫电池商业化的主要障碍。
　　为了解决这个问题，研究人员开发并测试了一种多孔含硫中间层。实验室的测试显示，具有这种活性而非非活性夹层的LiS电池的初始容量大约高出三倍。更令人印象深刻的是，具有活性中间膜的电池在700次充放电循环中保持了高容量。
　　另一位参与这项研究的华人科学家、阿贡化学家GuiliangXu说：以前对具有氧化还原非活性层的细胞进行的实验只是抑制了穿梭，但在这样做的过程中，他们牺牲了给定细胞重量的能量，因为该层增加了额外的重量。相比之下，我们的氧化还原活性层增加了储能容量并抑制了穿梭效应。
　　为了进一步研究氧化还原活性层，该团队在美国能源部科学办公室用户设施阿贡高级光子源的17BM光束线上进行了实验。将具有该层的细胞暴露在X射线束下收集的数据使团队能够确定中间层的好处。
　　数据证实，氧化还原活性中间膜可以减少穿梭，减少电池内的有害反应，并增加电池容纳更多电荷和持续更多循环的能力。
　　这些结果表明，氧化还原活性中间膜可能对LiS电池的发展产生巨大影响。我们离在日常生活中看到这项技术又近了一步。
　　展望未来，该团队希望评估氧化还原活性中间膜技术的增长潜力，有望让电池做得它更薄，更轻，更持久。
　　根据实验室研究样本的700个循环结果，人们可以猜测更多的发展可能会使循环计数更高。最令人好奇的是重量与容量比，这是一个将对进度产生重大影响的指标。
　　锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，具有很高的能量密度。