2014年，空中客車公司的“西風7”無人機依靠鋰—硫電池不間斷地飛行了11天/圖 來源：AIRBUS
請接招，特斯拉。位于英國阿賓頓的初創(chuàng)公司——Oxis能源公司的研究人員正在利用鋰和硫的組合制造電池。和目前用于電動汽車的鋰離子電池相比，最新研發(fā)的電池每公斤可儲存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時間不是很長，在約100次充放電循環(huán)后便會失靈。但該公司認為，對于諸如無人機、潛水艇、士兵背負的電源包等用途來說，重量比價格或者壽命更加重要。Oxis的小型試驗工廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標。這些電池會被封裝在手機大小的薄袋子中。
這還算不上超級工廠，至少目前不是。但Oxis首席技術(shù)官David Ainsworth表示，該公司盯上的是一塊更大的“蛋糕”：1000億美元的電動汽車市場。“未來幾年會非常關鍵。”Ainsworth說，他和其他人視鋰—硫電池為鋰離子電池的“繼承者”并將成為占主導地位的電池技術(shù)。
他們受到了一連串最新報告的鼓舞。報告稱，此項技術(shù)面臨的很多性能和耐用性上的挑戰(zhàn)都可以被克服。“你會看到很多方面正在取得進展。”美國勞倫斯伯克利國家實驗室化學家Brett Helms表示。不過，諸如加拿大滑鐵盧大學化學家、鋰—硫電池先驅(qū)Linda Nazar等人持謹慎態(tài)度。她認為，創(chuàng)建既擁有高容量又廉價、輕便、小巧、安全的鋰—硫電池“真的是一項艱巨的任務”。改善一個因素通常以犧牲其他因素為代價。“你不可能同時優(yōu)化所有因素。”Nazar表示。
鋰離子電池包含兩個電極——陰極和陽極。兩者由使鋰離子在充電周期來回移動的液體電介質(zhì)分開。在陽極，鋰原子被夾在具有高導電性的碳——石墨層中間。當電池放電時，鋰原子放棄電子并且產(chǎn)生電流。由此獲得的帶正電荷的鋰離子移動到電解液中。在為從手機到特斯拉汽車的諸多設備提供動力后，電子最終回到通常由不同金屬氧化物混合而成的陰極。在那里，電解液中的正極鋰離子“依偎”在已經(jīng)吸收了穿行電子的金屬原子附近。充電逆轉(zhuǎn)了這種分子模式，因為外加電壓會推動鋰離子擺脫它們的金屬宿主并且回到陽極。
金屬氧化物陰極是可靠的，但這些通常是鈷、鎳和錳結(jié)合物的金屬很昂貴。同時，由于需要兩個金屬原子“攜手”才能固定單個電子，因此這些陰極很重。而這將電池的性能限制在約200瓦時/公斤（Wh/kg）。硫要便宜很多，并且每個硫原子能固定兩個電子。理論上，擁有硫陰極的電池能儲存500 Wh/kg或者更多。
不過，硫并非電極的理想材料。首先，它是絕緣的：無法將電子傳遞給從陽極上穿越的鋰離子。2009年，一件影響大局的事情發(fā)生了：由Nazar領導的研究團隊發(fā)現(xiàn)，硫可以被嵌入和陽極一樣由導電碳構(gòu)成的陰極。雖然這種方法行得通，但帶來了其他問題。像石墨一樣的碳形式具有高孔隙度。這增加了電池的整體尺寸，但儲存性能并沒有增強。這意味著需要更多昂貴的液體電介質(zhì)填充這些孔隙。更嚴重的是，當鋰離子同硫原子在陰極結(jié)合時，它們會發(fā)生反應形成被稱為聚硫化物的可溶分子。這些分子會漂走，從而使陰極發(fā)生降解并且限制充電周期的數(shù)量。聚硫化物還會遷移到陽極。在那里，它們會造成進一步的破壞。
如今，各個方面都在獲得突破。3個小組在解決陰極出現(xiàn)的問題上取得進步。例如，去年，由Helms領導的研究團隊在《自然—通訊》雜志上報告稱，他們向碳—硫陰極添加了聚合物層，從而將聚硫化物封裝并且使電池在100個充電周期后仍能繼續(xù)使用。由得克薩斯大學研究人員Arumugam Manthiram領導的另一個團隊用僅有單原子厚度的高導電性薄片石墨替代陰極中的石墨。正如他們在今年1月12日出版的《美國化學會能源快報》上所報告的，新的石墨陰極持有的硫是傳統(tǒng)石墨陰極的5倍，因此極大地提高了能量儲存。最近，由中國廈門大學化學家Nanfeng Zheng領導的團隊在《焦耳》雜志上報告稱，他們通過在氮摻雜碳粒子上放置薄片聚丙烯，創(chuàng)建了超薄“分離器”。其位于陰極上面，能“捕獲”聚硫化物，并將其轉(zhuǎn)化成無害的鋰—硫粒子。這增加了電池的能量輸出，并且?guī)椭鼈冊?00次充電周期后仍能被繼續(xù)使用。
阿貢國家實驗室能源儲存研究聯(lián)合中心主任George Crabtree 表示，所有這些進展將有助于推動鋰—硫電池的進一步發(fā)展。“很難說這些是否是將獲得成功的最終突破，但我很樂觀。” Crabtree說。
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