德雷塞爾大學的研究人員已開發出穩定的硫磺陰極，在商用鋰離子電池使用的碳酸鹽電解質中可運行數千次，為更可持續的電池替代品鋪平道路。

美國對電動汽車（EVs）不斷增長的需求揭示了可持續採購電池技術的重大挑戰，這種技術是向可再生電力和遠離化石燃料的廣泛轉變所必需的。為了使電池不僅比目前用於電動車的電池性能更好，而且還能用現成的材料製成，德雷塞爾大學的一組化學工程師已經找到了將硫磺引入鋰離子電池的方法–結果令人震驚。

隨著2021年全球電動車銷量翻番，鋰、鎳、錳和鈷等電池材料的價格飆升，這些原材料的供應鏈（大部分來自其他國家）也因大流行而陷入瓶頸。這也將注意力集中在原材料的主要提供者：剛果等國家；並提出了從地球上提取這些原材料對人類和環境影響的問題。

早在電動車激增和電池材料短缺之前，開發商業上可行的硫磺電池一直是電池行業的可持續、高性能的目標。這是因為硫磺的天然豐度和化學結構將使其能夠儲存更多的能量。德雷塞爾大學工程學院的研究人員最近在《通信化學》雜誌上發表的一項突破，提供了一種避開過去壓制鋰硫電池的障礙的方法，最終將這項備受追捧的技術拉到了商業化的範圍內。

他們的發現是一種生產和穩定罕見形式的硫的新方法，這種硫在碳酸鹽電解質中發揮作用–商業鋰離子電池中使用的能量傳輸液體。這一發展不僅會使硫磺電池在商業上可行，而且它們的容量將是鋰離子電池的三倍，並可持續充電4000次以上–相當於使用10年，這也是一個實質性的改進。

領導這項研究的德雷塞爾大學化學和生物工程系喬治-B-弗朗西斯講座教授Vibha Kalra博士說：“多年來，硫在電池中的應用一直非常理想，因為它是地球上豐富的資源，可以以安全和環保的方式收集，而且正如我們現在所證明的，它也有可能以商業上可行的方式改善電動汽車和移動設備的電池性能。”

將硫磺引入商業上友好的碳酸鹽電解質的鋰電池的挑戰是中間硫磺產品（稱為多硫化物）和碳酸鹽電解質之間發生不可逆的化學反應。由於這種不良反應，以前嘗試在碳酸鹽電解質溶液的電池中使用硫磺陰極的結果是幾乎立即關閉，並且在僅僅一個循環之後就完全失效。

鋰硫(Li-S)電池已經在使用乙醚電解質–而不是碳酸鹽–的實驗環境中表現出卓越的性能，因為乙醚不會與多硫化物發生反應。但是這些電池在商業上是不可行的，因為乙醚電解質是高度揮發性的，其成分的沸點低至42攝氏度，這意味著任何高於室溫的電池升溫都可能導致故障或熔化。

Kalra說：“在過去十年中，大多數鋰硫領域採用了醚類電解質以避免與碳酸鹽發生不良反應。然後多年來，研究人員通過緩解所謂的多硫化物穿梭/擴散，深入研究如何提高醚基硫磺電池的性能–但該領域完全忽略了一個事實，即醚電解質本身就是一個問題。在我們的工作中，主要目標是用碳酸鹽取代乙醚，但在這樣做的時候，我們也消除了多硫化物，這也意味著沒有穿梭，所以電池可以在數千次循環中表現得特別好。”

Kalra團隊以前的研究也是以這種方式處理問題的–生產一種碳納米纖維陰極，通過遏制中間多硫化物的移動來減緩基於醚的鋰硫電池中的穿梭效應。但是為了改善陰極的商業途徑，該小組意識到它需要使它們與商業上可行的電解質一起發揮作用。

Kalra說：“擁有一個能與他們已經在使用的碳酸鹽電解質一起工作的陰極，對商業製造商來說是阻力最小的途徑。因此，我們的目標不是推動行業採用一種新的電解質，而是製造一種可以在現有的鋰離子電解質系統中工作的陰極。”

因此，為了希望消除多硫化物的形成以避免不良反應，該團隊試圖使用蒸鍍技術將硫限制在碳納米纖維陰極基材中。雖然這個過程沒有成功地將硫嵌入納米纖維網中，但它做了一些非同尋常的事情，這在研究小組開始測試陰極時就顯現出來。

“當我們開始測試時，它開始漂亮地運行–這是我們沒有想到的。事實上，我們一遍又一遍地測試它–超過100次–以確保我們真的看到了我們認為看到的東西，”Kalra說。“我們懷疑硫磺陰極會導致反應停滯，但實際上它的表現驚人地好，而且它一次又一次地這樣做，沒有引起穿梭。”

經過進一步調查，研究小組發現，在將硫沉積在碳納米纖維表面的過程中–將其從氣體變為固體–它以一種意想不到的方式結晶，形成了該元素的一種輕微變化，稱為單斜伽馬相硫。硫的這種化學相，與碳酸鹽電解質不發生反應，以前只在實驗室的高溫下產生，只在自然界的油井的極端環境中觀察到過。

化學和生物工程系的博士生、該研究的共同作者Rahul Pai說：“起初，很難相信這就是我們探測到的東西，因為在以前的所有研究中，單斜伽馬相硫在95攝氏度以下是不穩定的。在上個世紀，只有少數幾項研究產生了單斜伽馬相硫，而且它最多只穩定了20-30分鐘。但是我們在一個陰極中創造了它，該陰極經歷了數千個充放電循環而性能沒有減弱–一年後，我們對它的檢查表明，化學相一直保持不變。”

經過一年多的測試，硫磺陰極仍然穩定，正如該團隊報告的那樣，在4000次充放電循環中，其性能沒有下降，這相當於10年的常規使用。而且，正如預測的那樣，該電池的容量是鋰離子電池的三倍以上。

Kalra說：“雖然我們仍在努力了解在室溫下創造這種穩定的單晶硫的確切機制，但這仍然是一個令人興奮的發現，它可以為開發更可持續和負擔得起的電池技術打開許多大門。”

用硫磺替代鋰離子電池中的陰極，將減輕對採購鈷、鎳和錳的需求。這些原材料的供應是有限的，而且不容易提取，不會造成健康和環境危害。另一方面，世界上到處都有硫磺，而且在美國有大量的硫磺，因為它是石油生產的廢物。

Kalra建議，擁有一個穩定的硫磺陰極，在碳酸鹽電解質中發揮作用，也將使研究人員能夠在研究鋰陽極的替代品方面取得進展–這可能包括更多的地球資源選擇，如鈉。

Kalra說：“擺脫對鋰和其他昂貴且難以從地球上提取的材料的依賴，對於電池的發展和擴大我們使用可再生能源的能力來說是至關重要的一步。開發一種可行的鋰硫電池為取代這些材料開闢了許多途徑。”