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万众期待的圣诞节礼物-锂硫电池进展
作者:www.333cn.com  来源:www.333cn.com  :

  和所有的电池一样,今天的锂离子二次电池也是通过电荷在两电极(正电极和负电极)间的往复穿梭进行工作的。当电池处于充满电的状态,带正电荷的锂离子完全嵌入由带负电荷的石墨碳组成的负极基体中。当耗电的小物件开关被打开,电子从石墨极带出经过外部回路支持工件工作,然后再流入正极材料,如典型钴酸锂(LiCoO2)合金。电子从负极移动到正极导致锂离子在离子导电的电解液中迁移到正电极。当进行充电时,外界施加的电压驱使电子从正极再回流到负极;锂离子也随之从正极迁移回来与电子再一次在石墨极汇合。

  有一个问题是钴酸锂正极材料并不能容下很多的锂离子,这会导致电池总体容量降低。研究者们一直以来就想要用硫取代钴酸锂,每个硫原子能容下将近10倍数量的锂离子。在考虑其他想法时,这项优势使得锂硫电池相比目前的锂离子电池拥有五倍大的容量。

  但是锂硫电池也有它的问题。任何电极的首要任务是导电,允许电子流进流出。而硫的导电能力却很一般。此外,由于很多锂离子可以与硫结合,这使得正极材料在充电和放电过程中不断膨胀和萎缩。最后,这会导致材料产生裂纹甚至破裂。锂硫的一些副反应会产生一系列叫做聚合硫的副产物,这会损坏锂电池。

  在会议上,加利福尼亚帕洛阿尔托斯坦福大学的材料学家崔毅(音译),报导了一条可能的解决硫相关问题的途径。崔和他的团队将细小的硫纳米颗粒封装进空心的二氧化钛(TiO2)壳层中。然后将这些包覆好的纳米颗粒组成正极。当电池运行的时候,他们发现二氧化钛的高导电性使电子很容易的流进流出。在放电过程中,锂离子很容易地穿透二氧化钛壳层和硫原子纳米颗粒结合。即使硫纳米颗粒随着电池充放电不断地膨胀缩小,由于颗粒极其细小这些体积变化不会引起破裂。

  最后,二氧化钛能束缚聚合硫,所以副产物不会逃脱并损坏电池其他部分。在会议上,崔报导这种新电池的容量达800-1000毫安时每克,差不多是现在市场上电池的六倍。崔还说到他的团队将电池充放电超过1000次性能上只有很小的下降。

  新加坡南洋理工大学材料学家Pooi See Lee称崔的工作是锂硫电池领域的“重大进展”。在之前的工作中,崔的团队将硅纳米颗粒封装进碳或聚合物外衣中作为高容量的负极,这能提高锂离子电池额外十倍的能量。目前,崔说他的团队正在致力于将两种纳米颗粒电极放在一起看是否能做成电池,作为万众期待的圣诞节礼物。

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