加州大学圣地亚哥分校研发可自愈阴极固态锂硫电池 倍增电动汽车续航

研究人员距离实现锂硫固态电池又近了一步。加州大学圣迭戈分校工程师领导的研究小组为固态锂硫电池开发出了一种新型阴极材料，这种材料具有导电性和结构可愈合性--这些特性克服了这些电池目前阴极的局限性。这项研究成果最近发表在《自然》杂志上。

固态锂硫电池是一种可充电电池，由固体电解质、锂金属阳极和硫阴极组成。这种电池具有能量密度更高、成本更低的优点，有望成为目前锂离子电池的理想替代品。与传统锂离子电池相比，它们每公斤可储存两倍的能量，换句话说，它们可以在不增加电池组重量的情况下，将电动汽车的续航里程增加一倍。此外，由于使用了丰富且易于获取的材料，它们不仅经济上可行，而且更环保。

然而，锂硫固态电池的开发历来受到硫阴极固有特性的困扰。硫不仅是一种不良的电子导体，而且硫阴极在充电和放电过程中还会发生明显的膨胀和收缩，导致结构损坏以及与固体电解质的接触减少。这些问题共同削弱了阴极传输电荷的能力，影响了固态电池的整体性能和使用寿命。

为了克服这些挑战，加州大学圣地亚哥分校可持续电力和能源中心的研究人员领导的团队开发出了一种新型阴极材料：一种由硫和碘组成的晶体。通过在结晶硫结构中加入碘分子，研究人员将阴极材料的导电性能大幅提高了 11 个数量级，使其导电性能比单纯的硫晶体高出 1000 亿倍。

阴极材料从棕色粉末熔化成深紫红色液体，从而愈合。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院

这项研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授兼可持续电力与能源中心主任刘平说："我们对这种新材料的发现感到非常兴奋。硫的导电性能大幅提高令人惊喜，在科学上也非常有趣。"

此外，这种新型晶体材料的熔点很低，只有 65 摄氏度（149 华氏度），比一杯热咖啡的温度还要低。这意味着在电池充电后，阴极可以很容易地重新熔化，以修复因循环而受损的界面。这是解决阴极和电解液之间的固-固界面在反复充电和放电过程中发生累积性损伤的一个重要特性。

这项研究的共同第一作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授 Shyue Ping Ong 说："这种硫-碘阴极提出了一个独特的概念，可以解决锂-S 电池商业化的一些主要障碍。碘恰到好处地破坏了将硫分子结合在一起的分子间键，从而将其熔点降低到了"金锁区"--既高于室温，又足够低，阴极可以通过熔化定期重新修复。"

"我们的新型阴极材料的低熔点使得修复界面成为可能，这是这些电池长期以来一直寻求的解决方案，"该研究的共同第一作者周建斌说，他曾是刘的研究小组的纳米工程博士后研究员。"这种新材料是未来高能量密度固态电池的有利解决方案"。

为了验证新型阴极材料的有效性，研究人员构建了一个试验电池，并对其进行反复充放电循环。电池在超过 400 次循环中保持稳定，同时保留了 87% 的容量。

这项研究的合著者、本田美国研究所首席科学家克里斯托弗-布鲁克斯（Christopher Brooks）说："这一发现有可能通过大幅延长电池的使用寿命，解决固态锂硫电池问世所面临的最大挑战之一。电池只需提高温度就能实现自我修复，这可以大大延长电池的总寿命周期，为固态电池在现实世界中的应用开辟了一条潜在的途径。"

该团队正致力于通过改进电池工程设计和扩大电池规格，进一步推动固态锂硫电池技术的发展。

"虽然要实现可行的固态电池还有很多工作要做，但我们的工作是重要的一步，"刘说。"我们在加州大学圣地亚哥分校的团队与我们在国家实验室、学术界和工业界的研究合作伙伴之间的合作使这项工作成为可能。"

编译自/scitechdaily