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可修復(fù)的硫陰極材料，導(dǎo)電性提高1000億倍
日前，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校可持續(xù)電力和能源中心研究人員在《自然》發(fā)表成果，他們開(kāi)發(fā)了一種用于固態(tài)鋰硫電池的新型陰極材料，該材料具有高導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)可修復(fù)性，克服了傳統(tǒng)硫陰極的限制。該進(jìn)展有望使鋰硫電池更接近產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
固態(tài)鋰硫電池是一種可再充電池，由固體電解質(zhì)、鋰金屬制成的陽(yáng)極和硫制成的陰極組成，由于更高的能量密度和更低的成本，其有望成為鋰離子電池的替代品。這些電池每公斤儲(chǔ)存的能量是鋰電池的兩倍，即它們可以在不增加電池組重量的情況下使電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程翻倍，同時(shí)豐富、易得的源材使其成為一種經(jīng)濟(jì)可行、環(huán)境友好的選擇。
然而，硫陰極的特性阻礙了固態(tài)鋰硫電池的發(fā)展。硫不僅是一種不良的電子導(dǎo)體，并且硫陰極會(huì)隨著充、放電過(guò)程發(fā)生顯著的膨脹和收縮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞和與固體電解質(zhì)的接觸減弱。
這些問(wèn)題削弱了陰極轉(zhuǎn)移電荷的能力，累及固態(tài)電池的整體性能和壽命。
科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新型陰極材料是由硫和碘組成的晶體。他們通過(guò)把碘分子引入晶體硫結(jié)構(gòu)，將陰極材料的電導(dǎo)率提高了11個(gè)數(shù)量級(jí)，其導(dǎo)電性比單獨(dú)由硫制成的晶體提高了1000億倍。
另一方面，由于碘破壞了將硫分子連接在一起的分子間鍵，其破壞量剛好可以將這種新的晶體材料的熔點(diǎn)降低到足夠低——只有65攝氏度，因此在電池充電后，只需重新熔化陰極，即可輕松修復(fù)循環(huán)中損壞的界面。
此性能對(duì)于解決由于重復(fù)充放電導(dǎo)致的陰極和電解質(zhì)界面處的累積損傷至關(guān)重要。
為了驗(yàn)證這種新型陰極材料的有效性，研究人員構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試電池，并對(duì)其進(jìn)行反復(fù)充電和放電循環(huán)。電池在400多次充放電循環(huán)中保持穩(wěn)定，并保留了87%的容量。
這種碘化硫陰極為解決固態(tài)鋰硫電池商業(yè)化的主要障礙提供了獨(dú)特的概念。該團(tuán)隊(duì)表示，新型陰極材料的低熔點(diǎn)使修復(fù)界面成為可能，這種新材料有望成為高能量密度固態(tài)電池的一種賦能解決方案。
“這一發(fā)現(xiàn)有可能通過(guò)顯著提高電池的使用壽命來(lái)解決固態(tài)鋰硫電池引入的最大挑戰(zhàn)之一”，研究合著者、美國(guó)本田研究所首席科學(xué)家克里斯托弗·布魯克斯說(shuō)，“電池只需通過(guò)提高溫度就可以自我修復(fù)，這可以顯著延長(zhǎng)電池的整個(gè)壽命周期，為固態(tài)電池的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造潛在途徑。”
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07101-z
