科学家发现制造高能量、低成本和长寿命电池的新途径

在美国能源部（DOE）阿贡国家实验室科学家们的努力下，这种情况在未来可能会有所改变。在过去十年中，他们在锂硫电池方面取得了多项关键性发现。他们发表在《自然》（Nature）杂志上的最新发现解开了一个之前未知的反应机制，解决了电池寿命极短这一主要缺陷。

阿贡化学科学与工程部门的化学家许桂良表示："我们团队的努力可以让美国向更环保、更可持续的交通格局迈进一大步。"

与目前的锂离子电池相比，锂硫电池具有三个显著优势。首先，锂硫电池在一定体积内可储存两到三倍的能量，从而延长汽车的续航里程。其次，由于硫的丰富性和可负担性，它们的成本较低，因此在经济上是可行的。最后，这些电池不依赖钴和镍等关键资源，而这些资源在未来可能会面临短缺。

锂硫电池中从多硫化锂（Li₂S₆）到硫化锂（Li₂S）的不同反应途径，硫阴极有催化剂（左）和无催化剂（右）。资料来源：阿贡国家实验室

尽管有这些优点，但要从实验室成功过渡到商业可行性却很难。实验室电池已显示出良好的效果，但当扩大到商业规模时，其性能会随着反复充放电而迅速下降。

性能下降的根本原因在于放电过程中硫磺从阴极溶解，形成可溶性多硫化锂（Li2S6）。这些化合物在充电过程中流入锂金属负极（阳极），进一步加剧了这一问题。因此，正极中硫的流失和负极成分的改变严重影响了电池在循环过程中的性能。

在最近的一项早期研究中，阿贡科学家开发出了一种催化材料，只要在硫阴极中加入少量这种材料，就能从根本上解决硫流失的问题。虽然这种催化剂在实验室和商用电池中都显示出了良好的前景，但其原子级的工作机制直到现在仍是一个谜。

研究小组的最新研究揭示了这一机制。在没有催化剂的情况下，阴极表面会形成多硫化锂，并发生一系列反应，最终将阴极转化为硫化锂（Li2S）。

"但是，阴极中少量催化剂的存在就会产生很大的不同，"Xu 说。"接下来的反应路径大不相同，没有中间反应步骤。"

关键是在阴极表面形成致密的纳米级多硫化锂气泡，而没有催化剂就不会出现这种气泡。这些多硫化锂在放电过程中迅速扩散到整个阴极结构，并转化为由纳米级结晶组成的硫化锂。这一过程可防止商用尺寸电池的硫损失和性能下降。

在揭开反应机理黑箱的过程中，科学家们采用了最先进的表征技术。利用能源部科学办公室用户设施先进光子源 20-BM 光束线的强同步 X 射线束对催化剂结构进行的分析表明，催化剂在反应途径中起着至关重要的作用。催化剂结构会影响放电后最终产物以及中间产物的形状和成分。在使用催化剂的情况下，完全放电后会形成纳米结晶硫化锂。如果没有催化剂，则会形成微尺度的棒状结构。

厦门大学开发的另一项重要技术使研究小组能够在测试电池工作时在纳米尺度上可视化电极-电解质界面。这项新发明的技术有助于将纳米尺度的变化与工作电池的行为联系起来。

"基于这一令人兴奋的发现，我们将开展更多研究，以设计出更好的硫阴极。这种机制是否适用于其他下一代电池，如钠硫电池，也值得探索"。

有了该团队的这一最新突破，锂硫电池的前景似乎更加光明，为交通运输业提供了一种更可持续、更环保的解决方案。