研究人員距離實現鋰硫固態電池又更近了一步。加州大學聖迭戈分校工程師領導的研究小組為固態鋰硫電池開發了一種新型陰極材料，具有導電性和結構可癒合性–這些特性克服了這些電池目前陰極的局限性。這項研究成果最近發表在《自然》雜誌。

固態鋰硫電池是一種可充電電池，由固態電解質、鋰金屬陽極和硫陰極組成。這種電池具有能量密度更高、成本更低的優點，有望成為目前鋰離子電池的理想替代品。與傳統鋰離子電池相比，它們每公斤可儲存兩倍的能量，換句話說，它們可以在不增加電池組重量的情況下，將電動車的續航里程增加一倍。此外，由於使用了豐富且易於取得的材料，它們不僅經濟上可行，而且更環保。

然而，鋰硫固態電池的開發歷來受到硫陰極固有特性的困擾。硫不僅是一種不良的電子導體，而且硫陰極在充電和放電過程中還會發生明顯的膨脹和收縮，導致結構損壞以及與固體電解質的接觸減少。這些問題共同削弱了陰極傳輸電荷的能力，影響了固態電池的整體性能和使用壽命。

為了克服這些挑戰，加州大學聖地牙哥分校永續電力和能源中心的研究人員領導的團隊開發了一種新型陰極材料：一種由硫和碘組成的晶體。透過在結晶硫結構中加入碘分子，研究人員將陰極材料的導電性能大幅提高了11 個數量級，使其導電性能比單純的硫晶體高出1000 億倍。

陰極材料從棕色粉末熔化成深紫紅色液體，從而癒合。圖片來源：David Baillot/加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院

這項研究的共同資深作者、加州大學聖地牙哥分校奈米工程教授兼永續電力與能源中心主任劉平說：「我們對這種新材料的發現感到非常興奮。硫的導電性能大幅提高令人驚喜，在科學上也非常有趣。”

此外，這種新型晶體材料的熔點很低，只有65 攝氏度（149 華氏度），比一杯熱咖啡的溫度還要低。這意味著在電池充電後，陰極可以輕鬆地重新熔化，以修復因循環而受損的介面。這是解決陰極和電解液之間的固-固界面在反覆充電和放電過程中發生累積性損傷的一個重要特性。

這項研究的共同第一作者、加州大學聖地牙哥分校雅各布斯工程學院奈米工程教授Shyue Ping Ong 說：「這種硫-碘陰極提出了一個獨特的概念，可以解決鋰-S 電池商業化的一些主要障礙。碘恰到好處地破壞了將硫分子結合在一起的分子間鍵，從而將其熔點降低到了”金鎖區”–既高於室溫，又足夠低，陰極可以通過熔化定期重新修復。 “

“我們的新型陰極材料的低熔點使得修復界面成為可能，這是這些電池長期以來一直尋求的解決方案，”該研究的共同第一作者周建斌說，他曾是劉的研究小組的奈米工程博士後研究員。”這種新材料是未來高能量密度固態電池的有利解決方案”。

為了驗證新型陰極材料的有效性，研究人員建構了一個試驗電池，並對其進行反覆充放電循環。電池在超過400 次循環中保持穩定，同時保留了87% 的容量。

這項研究的合著者、本田美國研究所首席科學家克里斯托弗-布魯克斯（Christopher Brooks）說：「這項發現有可能透過大幅延長電池的使用壽命，解決固態鋰硫電池問世所面臨的最大挑戰之一。電池只需提高溫度就能實現自我修復，這可以大大延長電池的總壽命週期，為固態電池在現實世界中的應用開闢了一條潛在的途徑。”

該團隊正致力於透過改進電池工程設計和擴大電池規格，進一步推動固態鋰硫電池技術的發展。

“雖然要實現可行的固態電池還有很多工作要做，但我們的工作是重要的一步，”劉說。”我們在加州大學聖地牙哥分校的團隊與我們在國家實驗室、學術界和工業界的研究合作夥伴之間的合作使這項工作成為可能。”

編譯自/ scitechdaily