2008年7月下旬, 一架英國太陽能飛機在高空連續飛行了三天, 創造了非官方的飛行耐力記錄. 也許鮮有人知道, 鋰硫(Li-S)電池成為其部件中最偉大的技術進步之一, 它在夜間為飛機提供動力, 其效率即便是當時的頂級電池也無法比擬.
太陽能飛機Zephyr S(圖片來自網路) 十年後, 世界似乎仍在等待Li-S電池商業化到來. 德雷克塞爾大學研究人員的突破剛剛消除了阻礙其生存的巨大障礙.
技術公司已經了解到這樣一個事實: 無論是筆記型電腦, 手機還是電動汽車的發展, 都取決於電池性能的穩步改善. 技術只有在電池允許的情況下才能向前推動, 鋰離子電池 - 目前被認為是市場上最好的電池 - 正在達到改進的極限.
隨著電池性能接近穩定, 一些公司正試圖通過擠壓, 減小一些對能量存儲沒有貢獻的內部組件的大小, 以期將最後一個伏特塞入存儲設備. 這些結構變化會帶來一些不幸的副作用, 例如2016年三星手機出現的一系列爆炸事故.
電池爆炸後的三星手機(圖片來自於網路) 研究人員和技術企業正在研究如何將鋰硫(Li-S)電池最終取代鋰離子電池, 因為這種新的化學反應從理論上講, 可以將更多的能量裝入單個電池中 - 這一措施稱為電池研發中的能量密度. 這種改進帶來的容量, 大約是鋰離子電池的5-10倍, 相當於電池在這次充電與下一次充電之間的運行時間更長.
問題是, 在完成最初的幾次充電後, Li-S電池無法繼續保持其優越的容量. 事實證明, 硫作為提高能量密度的關鍵成分, 會以 '多硫化物' 的中間產物的形式從電極遷移, 導致這種關鍵成分的損失和再充電過程中的性能下降.
多年來科學家們一直試圖穩定Li-S電池內部產生這些多硫化物的反應, 但大多數嘗試都會產生其他複雜情況, 例如為電池增加重量, 需要昂貴的材料或添加幾個複雜的加工步驟. 但是現在有一種新方法誕生了, Drexels工程學院的研究人員在最近一期美國化學學會期刊《應用材料與介面》雜誌上發表的一篇題為 '一氧化鈦(TiO)納米纖維作為Li-S電池中多硫化物固定劑' 的報告: 路易斯酸堿相互作用的證據, 表明它可以將多硫化物固定到位, 保持這種電池令人印象深刻的耐力, 同時減少整體重量和生產它們所需的時間.
我們已經創造了 獨立式多孔一氧化鈦納米纖維氈 作為鋰硫電池中的陰極主體材料, Vibha Kalra博士說. 他是工程學院的助理教授, 主要研究作者. '這是一個重大的發展, 因為我們發現我們的一氧化鈦 - 硫陰極具有高導電性, 能夠通過強烈的化學相互作用結合多硫化物, 這意味著它可以增強電池的比容量, 同時保持其令人印象深刻的性能. 我們還可以證明這可以完全取消陰極側的粘合劑和集電器, 它們占電極重量的30-50% - 我們的方法只需幾秒鐘即可形成硫陰極. 目前的標準可能需要將近半天. '
他們的研究結果表明納米纖維墊在微觀層面上類似鳥巢, 是一個優秀的硫陰極平台, 因為它可以吸引和捕獲電池使用時產生的多硫化物. 將多硫化物保持在陰極結構中可防止穿梭, 這是當它們溶解在電池中的陰極與陽極分離的電解質溶液中時發生的性能下降現象.
據Kalra介紹, 這種陰極設計不僅可以幫助Li-S電池保持其能量密度, 而且還可以在沒有增加會導致重量和生產成本提高的額外材料的情況下實現這一目標.
為了實現這些雙重目標, 該團隊對此進行了深入研究. 包括反應機理和多硫化物的形成, 以更好地了解電極主體材料如何幫助它們.
這項研究表明, 陰極中一氧化鈦和硫之間存在強烈的路易斯酸堿相互作用, 可防止多硫化物產生進入電解質, 這是電池性能下降的主要原因, 該論文作者之一, Kalras實驗室的博士後研究員Arvinder Singh博士說.
這意味著他們的陰極設計可以幫助Li-S電池保持其能量密度 - 並且在沒有額外材料增加重量和生產成本的情況下進行, Kalra.Kalras先前對納米纖維電極的研究表明它們是具有多種優勢的過電流電池組件. 它們具有比當前電極更大的表面積, 這意味著它們可以在充電期間適應膨脹, 這可以提高電池的存儲容量. 通過填充電解質凝膠, 它們可以消除設備中的易燃成分, 最大限度地減少它們對泄漏, 火災和爆炸的敏感性.
它們通過靜電紡絲過程建立, 看起來像製作棉花糖, 這意味著它們比標準的基於粉末的電極更有優勢, 傳統電極在生產過程中需要使用絕緣和可能使性能惡化的粘合劑化學品.
靜電紡絲的建立 過程 , 看起來像製作棉花糖. (圖片來自於網路) 為了生產無粘結劑, 獨立式陰極平台以改善電池性能, Kalras實驗室開發了一種快速硫沉積技術, 只需五秒鐘即可將硫加入其基材.
'該程序將硫熔化到納米纖維墊中, 在140攝氏度的輕微壓力環境中 - 無需耗時的加工或使用混合有毒的化學品, 同時改善陰極長時間使用後能夠保持有效性. 我們的Li-S電極提供正確的結構, ' Kalra表示, '在電池迴圈過程中, 最大限度地減少容量衰減, 這是Li-S電池商業化的一個最主要障礙. '
'我們的研究表明, 這些電極的持續有效容量是目前鋰離子電池的四倍. 而我們新穎, 低成本的方法在幾秒鐘內就能造出硫化陰極, 這消除了製造的重大障礙. '
無論是筆記型電腦, 手機還是電動汽車的發展, 都取決於電池性能的穩步改善. 技術只有在電池允許的情況下才能向前推動, 鋰離子電池 - 目前被認為是市場上最好的電池 - 正在達到改進的極限. (圖片來自於網路)
自2008年Zephyr-6s太陽能飛機創紀錄的飛行以來, 許多公司已投資開發Li-S電池, 希望增加各種電動汽車的續航, 使移動設備在充電間隔持續更長的使用時間, 甚至幫助整個能源網路來適應風能和太陽能的間歇性. Kalras的工作現在為這種電池技術提供了一條可以打破一系列阻礙的發展途徑.
該團隊將繼續開發其Li-S陰極, 目標是進一步改善迴圈壽命, 減少多硫化物的形成和減少成本.
