锂硫电池的设计和实施可以彻底改变汽车市场

容量是锂离子电池的五倍且环境污染低的电池可能会导致开发更便宜的电动汽车和大规模存储主电源。基于锂和硫 (Li-S) 的电池能够在 200 多次充电和放电循环中保持 99% 的效率；如果用于为智能手机供电，它可以保持运行五天（图 1）。

新电池是由澳大利亚墨尔本莫纳什大学机械工程和航空航天系的研究员Mahdokht Shaibani和她的同事开发的。

研究人员已经为他们的制造工艺申请了专利(PCT 1 AU 2019/051239) ,原型电池已经由包括弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所在内的德国合作伙伴成功制造。科学家们认为,这一进展可能会改变未来手机、汽车、电脑和太阳能网络的生产方式。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

研究小组包括Shaibani和她在莫纳什大学的团队，与来自CSIRO、列日大学、弗劳恩霍夫和Beam Technology的同事们一起。

“Li-S电池的设计和实现可能会给汽车市场带来一场革命，“论文作者之一、莫纳什大学(Monash)教授Mainak Majumder说。

图1:Matthew HiI副教授、Mahdokht Shaibanit博士和Mainak Majumder教授[来源:莫纳什大学]

当谈到电池,每个人都在寻找新的解决方案,提供更长的寿命和可持续性。研究人员一直致力于研究能够充电更多、使用更久的电池。

到目前为止,锂硫电池的弱点是由于硫电极的容量太大,以致于它打破了正常的电池充放电循环。硫电极在循环过程中膨胀收缩,电极体积变化约78%。

当硫电极充电到所需的5至10 mg cm-2时,由于锂化/去硫化体积和由此产生的应力的巨大变化,较高的能量性能迅速衰减。研究人员在化学层面上为硫粒子提供了更大的空间,他们使用了更少的聚合材料来将硫粒子固定在电极上,从而在硫粒子之间创造了更多的空间结构。使用与锂离子电池相同的材料,研究人员重新配置了硫阴极的设计,使其能够承受更高的应力负荷,而不会降低整体容量或性能。

这种锂硫电池可以极大地降低电池的成本,因为硫是一种储量丰富且极其经济的化学元素。然而,可能存在与锂离子电池生产相关的伦理问题。有关电迁移率的主要问题与提取生产电池所需的原材料的过程有关。许多研究也集中于开发对环境影响较小的较便宜的成分,例如硫。

据科学家预测,到2050年,道路上的电动汽车数量将达到9.65亿辆,电池的存储能力将提高到12380千兆瓦时,而光伏系统的存储能力将超过7100千兆瓦时。未来几年,对金属的需求将大幅增长。

电池是未来几年欧洲能源供应系统摆脱碳氢化合物(包括运输和电力)的关键技术之一。硫磺更容易找到,也更便宜,尤其是因为它也是石油加工的废弃物。在不久的将来,我们将需要新一代高性能、可靠、安全、可持续和廉价的电池。

储能系统将在电力和热力系统的完全脱碳过程中发挥越来越重要的作用。从化石燃料向可再生能源的过渡不能不包括发展先进的能源储存技术,例如储存系统和电池。

与传统锂离子电池相比,新的储能技术使用了硫,硫是一种非常经济的材料,比传统锂离子具有更高的抗过载能力、更低的毒性和更轻的重量。

利用锂离子电池的电化学反应可以在各个应用领域带来令人兴奋的新发展。其他研究人员发现,将硫碳储能材料包裹在柔性薄石墨烯薄片中,可以加速电子和离子的运输,从而提高性能和导电性。通过将硫碳单元包裹在石墨烯片上,可以获得更长的电池寿命、更好的循环稳定性和更高的效率。

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