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研究人員利用石墨烯氣凝膠 或有利于推進(jìn)鋰硫電池的研發(fā)
時(shí)間:2019-05-09 08:55來(lái)源:蓋世汽車(chē) 作者:余秋云
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（圖片來(lái)源：Yen Strandqvist/瑞典查默斯理工大學(xué)）
據(jù)外媒報(bào)道，為了適應(yīng)電氣化未來(lái)的需求，需要研發(fā)新型電池技術(shù)，其中一個(gè)選擇就是鋰硫電池，與鋰離子電池相比，理論上來(lái)說(shuō)，此種電池能量密度要高5倍。最近，瑞典查默斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的研究人員在石墨烯海綿（graphene sponge）的幫助下，利用陰極電解液，在此種電池的研發(fā)上獲得了突破。
研究人員的想法非常新穎，利用一種由還原氧化石墨烯制成的多孔、類(lèi)似海綿的氣凝膠，當(dāng)作電池的獨(dú)立電極，從而更好地利用硫、提高利用率。
傳統(tǒng)電池由四部分組成，首先，有兩個(gè)覆蓋活性物質(zhì)的支撐電極，即陽(yáng)極和陰極；它們之間是電解質(zhì)，通常是液體，可讓離子來(lái)回轉(zhuǎn)移；第四個(gè)部分是分離器，作為物理屏障，可防止兩個(gè)電極接觸的同時(shí)，允許離子轉(zhuǎn)移。
此前，研究人員曾嘗試將陰極和電解質(zhì)結(jié)合在一起，成為“陰極電解液”。該概念有助于減輕電池重量，同時(shí)使充電速度更快，供電能力更強(qiáng)。現(xiàn)在，由于石墨烯氣凝膠得到了發(fā)展，該概念被證明有效可行，而且前景很好。
首先，研究人員在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池盒內(nèi)注入薄薄的一層多孔石墨烯氣凝膠。查默斯理工大學(xué)物理系兼本研究的首席研究員Carmen Cavallo表示：“氣凝膠是一個(gè)長(zhǎng)瘦型的圓柱體，將它像切意大利香腸一樣切成薄片，然后將薄片擠壓放入電池。然后再拿一種含硫豐富的溶液，即陰極電解液，加入到該電池中。多孔氣凝膠作為支撐，會(huì)像海綿一樣吸收該溶液。”
“石墨烯的多孔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，可吸收大量陰極電解液，得到足夠的硫，進(jìn)而使陰極電解液概念得以實(shí)現(xiàn)。此類(lèi)半液體陰極電解液非常有必要，可以在硫循環(huán)的過(guò)程中不損失任何硫，由于硫已經(jīng)溶解在陰極電解液中，因此不會(huì)因溶解而損失”。
為了使陰極電解液發(fā)揮其電解質(zhì)的作用，還在分離器中加入了部分陰極電解液，這也最大限度地提高了電池的硫含量。
目前，大多數(shù)商用電池都是鋰離子電池，但是此種電池的發(fā)展已接近極限，為了滿(mǎn)足更高的要求，尋找新型化學(xué)方法變得更加重要。而鋰硫電池具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如能量密度更高。目前，市場(chǎng)上最好的鋰離子電池的工作效率為300瓦時(shí)/千克，理論上說(shuō)，最大可達(dá)350/千克。而理論上來(lái)說(shuō)，鋰硫電池的能量密度約為1000至1500瓦時(shí)/千克。
查默斯理工大學(xué)物理系教授兼此次研究主導(dǎo)人Aleksandar Matic表示：“此外，硫很便宜，儲(chǔ)量豐富，而且更加環(huán)保。此外，鋰離子電池中普遍含有對(duì)環(huán)境有害的氟，而鋰硫電池卻沒(méi)有。”
目前為止，鋰硫電池的問(wèn)題在于不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致循環(huán)壽命短。但是在查默斯理工大學(xué)的研究人員在測(cè)試新電池原型時(shí)，發(fā)現(xiàn)新電池在350次循環(huán)后，仍保持85%的容量。
新設(shè)計(jì)避免了硫鋰電池降解過(guò)程中的兩個(gè)主要問(wèn)題，一個(gè)是硫溶解到電解質(zhì)中而丟失，另一個(gè)是硫分子從陰極遷移到陽(yáng)極的“穿梭效應(yīng)”。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，此類(lèi)問(wèn)題的影響都被大大減少了。
但是，研究人員指出，該項(xiàng)技術(shù)要完全發(fā)揮市場(chǎng)潛力仍還有很長(zhǎng)一段路要走。Aleksandar Matic表示：“由于此種電池的生產(chǎn)方式不同于大多數(shù)正常電池，因此還需要研發(fā)新的生產(chǎn)工藝，以實(shí)現(xiàn)該電池的商業(yè)化。”
(責(zé)任編輯：子蕊)
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