從實驗室發現到實際應用的過程可能是漫長而充滿挑戰的。以鋰硫電池為例。雖然與現有的汽車鋰離子電池相比，鋰硫電池具有顯著的優勢，但儘管經過多年的嚴格開發，它仍未在市場上取得實質性進展。

在美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室科學家們的努力下，這種情況在未來可能會有所改變。在過去十年中，他們在鋰硫電池方面取得了多項關鍵性發現。他們發表在《自然》（Nature）雜誌上的最新發現解開了一個之前未知的反應機制，解決了電池壽命極短這一主要缺陷。

阿貢化學科學與工程部門的化學家許桂良表示：”我們團隊的努力可以讓美國向更環保、更可持續的交通格局邁進一大步。”

與目前的鋰離子電池相比，鋰硫電池具有三個顯著優勢。首先，鋰硫電池在一定體積內可儲存兩到三倍的能量，從而延長汽車的續航里程。其次，由於硫的豐富性和可負擔性，它們的成本較低，因此在經濟上是可行的。最後，這些電池不依賴鈷和鎳等關鍵資源，而這些資源在未來可能會面臨短缺。

鋰硫電池中從多硫化鋰（Li₂S₆）到硫化鋰（Li₂S）的不同反應途徑，硫陰極有催化劑（左）和無催化劑（右）。資料來源：阿貢國家實驗室

儘管有這些優點，但要從實驗室成功過渡到商業可行性卻很難。實驗室電池已顯示出良好的效果，但當擴大到商業規模時，其性能會隨著反复充放電而迅速下降。

性能下降的根本原因在於放電過程中硫磺從陰極溶解，形成可溶性多硫化鋰（Li2S6）。這些化合物在充電過程中流入鋰金屬負極（陽極），進一步加劇了這一問題。因此，正極中硫的流失和負極成分的改變嚴重影響了電池在循環過程中的性能。

在最近的一項早期研究中，阿貢科學家開發出了一種催化材料，只要在硫陰極中加入少量這種材料，就能從根本上解決硫流失的問題。雖然這種催化劑在實驗室和商用電池中都顯示出了良好的前景，但其原子級的工作機制直到現在仍是一個謎。

研究小組的最新研究揭示了這一機制。在沒有催化劑的情況下，陰極表面會形成多硫化鋰，並發生一系列反應，最終將陰極轉化為硫化鋰（Li2S）。

“但是，陰極中少量催化劑的存在就會產生很大的不同，”Xu 說。”接下來的反應路徑大不相同，沒有中間反應步驟。”

關鍵是在陰極表面形成緻密的納米級多硫化鋰氣泡，而沒有催化劑就不會出現這種氣泡。這些多硫化鋰在放電過程中迅速擴散到整個陰極結構，並轉化為由納米級結晶組成的硫化鋰。這一過程可防止商用尺寸電池的硫損失和性能下降。

在揭開反應機理黑箱的過程中，科學家們採用了最先進的表徵技術。利用能源部科學辦公室用戶設施先進光子源20-BM 光束線的強同步X 射線束對催化劑結構進行的分析表明，催化劑在反應途徑中起著至關重要的作用。催化劑結構會影響放電後最終產物以及中間產物的形狀和成分。在使用催化劑的情況下，完全放電後會形成納米結晶硫化鋰。如果沒有催化劑，則會形成微尺度的棒狀結構。

廈門大學開發的另一項重要技術使研究小組能夠在測試電池工作時在納米尺度上可視化電極-電解質界面。這項新發明的技術有助於將納米尺度的變化與工作電池的行為聯繫起來。

“基於這一令人興奮的發現，我們將開展更多研究，以設計出更好的硫陰極。這種機制是否適用於其他下一代電池，如鈉硫電池，也值得探索”。

有了該團隊的這一最新突破，鋰硫電池的前景似乎更加光明，為交通運輸業提供了一種更可持續、更環保的解決方案。