美國對電動汽車（EVs）不斷增長的需求揭示了可持續(xù)采購電池技術(shù)的重大挑戰(zhàn)，這種技術(shù)是向可再生電力和遠離化石燃料的廣泛轉(zhuǎn)變所必需的。為了使電池不僅比目前用于電動車的電池性能更好，而且還能用現(xiàn)成的材料制成，德雷塞爾大學(xué)的一組化學(xué)工程師已經(jīng)找到了將硫磺引入鋰離子電池的方法--結(jié)果令人震驚。
隨著2021年全球電動車銷量翻番，鋰、鎳、錳和鈷等電池材料的價格飆升，這些原材料的供應(yīng)鏈（大部分來自其他國家）也因大流行而陷入瓶頸。這也將注意力集中在原材料的主要提供者：剛果等國家；并提出了從地球上提取這些原材料對人類和環(huán)境影響的問題。
早在電動車激增和電池材料短缺之前，開發(fā)商業(yè)上可行的硫磺電池一直是電池行業(yè)的可持續(xù)、高性能的目標(biāo)。這是因為硫磺的天然豐度和化學(xué)結(jié)構(gòu)將使其能夠儲存更多的能量。德雷塞爾大學(xué)工程學(xué)院的研究人員最近在《通信化學(xué)》雜志上發(fā)表的一項突破，提供了一種避開過去壓制鋰硫電池的障礙的方法，最終將這項備受追捧的技術(shù)拉到了商業(yè)化的范圍內(nèi)。
他們的發(fā)現(xiàn)是一種生產(chǎn)和穩(wěn)定罕見形式的硫的新方法，這種硫在碳酸鹽電解質(zhì)中發(fā)揮作用--商業(yè)鋰離子電池中使用的能量傳輸液體。這一發(fā)展不僅會使硫磺電池在商業(yè)上可行，而且它們的容量將是鋰離子電池的三倍，并可持續(xù)充電4000次以上--相當(dāng)于使用10年，這也是一個實質(zhì)性的改進。
領(lǐng)導(dǎo)這項研究的德雷塞爾大學(xué)化學(xué)和生物工程系喬治-B-弗朗西斯講座教授Vibha Kalra博士說：“多年來，硫在電池中的應(yīng)用一直非常理想，因為它是地球上豐富的資源，可以以安全和環(huán)保的方式收集，而且正如我們現(xiàn)在所證明的，它也有可能以商業(yè)上可行的方式改善電動汽車和移動設(shè)備的電池性能。”
將硫磺引入商業(yè)上友好的碳酸鹽電解質(zhì)的鋰電池的挑戰(zhàn)是中間硫磺產(chǎn)品（稱為多硫化物）和碳酸鹽電解質(zhì)之間發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)。由于這種不良反應(yīng)，以前嘗試在碳酸鹽電解質(zhì)溶液的電池中使用硫磺陰極的結(jié)果是幾乎立即關(guān)閉，并且在僅僅一個循環(huán)之后就完全失效。
鋰硫(Li-S)電池已經(jīng)在使用乙醚電解質(zhì)--而不是碳酸鹽--的實驗環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的性能，因為乙醚不會與多硫化物發(fā)生反應(yīng)。但是這些電池在商業(yè)上是不可行的，因為乙醚電解質(zhì)是高度揮發(fā)性的，其成分的沸點低至42攝氏度，這意味著任何高于室溫的電池升溫都可能導(dǎo)致故障或熔化。
Kalra說：“在過去十年中，大多數(shù)鋰硫領(lǐng)域采用了醚類電解質(zhì)以避免與碳酸鹽發(fā)生不良反應(yīng)。然后多年來，研究人員通過緩解所謂的多硫化物穿梭/擴散，深入研究如何提高醚基硫磺電池的性能--但該領(lǐng)域完全忽略了一個事實，即醚電解質(zhì)本身就是一個問題。在我們的工作中，主要目標(biāo)是用碳酸鹽取代乙醚，但在這樣做的時候，我們也消除了多硫化物，這也意味著沒有穿梭，所以電池可以在數(shù)千次循環(huán)中表現(xiàn)得特別好。”
Kalra團隊以前的研究也是以這種方式處理問題的--生產(chǎn)一種碳納米纖維陰極，通過遏制中間多硫化物的移動來減緩基于醚的鋰硫電池中的穿梭效應(yīng)。但是為了改善陰極的商業(yè)途徑，該小組意識到它需要使它們與商業(yè)上可行的電解質(zhì)一起發(fā)揮作用。
Kalra說：“擁有一個能與他們已經(jīng)在使用的碳酸鹽電解質(zhì)一起工作的陰極，對商業(yè)制造商來說是阻力最小的途徑。因此，我們的目標(biāo)不是推動行業(yè)采用一種新的電解質(zhì)，而是制造一種可以在現(xiàn)有的鋰離子電解質(zhì)系統(tǒng)中工作的陰極。”
因此，為了希望消除多硫化物的形成以避免不良反應(yīng)，該團隊試圖使用蒸鍍技術(shù)將硫限制在碳納米纖維陰極基材中。雖然這個過程沒有成功地將硫嵌入納米纖維網(wǎng)中，但它做了一些非同尋常的事情，這在研究小組開始測試陰極時就顯現(xiàn)出來。
“當(dāng)我們開始測試時，它開始漂亮地運行--這是我們沒有想到的。事實上，我們一遍又一遍地測試它--超過100次--以確保我們真的看到了我們認(rèn)為看到的東西，”Kalra說。“我們懷疑硫磺陰極會導(dǎo)致反應(yīng)停滯，但實際上它的表現(xiàn)驚人地好，而且它一次又一次地這樣做，沒有引起穿梭。”
經(jīng)過進一步調(diào)查，研究小組發(fā)現(xiàn)，在將硫沉積在碳納米纖維表面的過程中--將其從氣體變?yōu)楣腆w--它以一種意想不到的方式結(jié)晶，形成了該元素的一種輕微變化，稱為單斜伽馬相硫。硫的這種化學(xué)相，與碳酸鹽電解質(zhì)不發(fā)生反應(yīng)，以前只在實驗室的高溫下產(chǎn)生，只在自然界的油井的極端環(huán)境中觀察到過。
化學(xué)和生物工程系的博士生、該研究的共同作者Rahul Pai說：“起初，很難相信這就是我們探測到的東西，因為在以前的所有研究中，單斜伽馬相硫在95攝氏度以下是不穩(wěn)定的。在上個世紀(jì)，只有少數(shù)幾項研究產(chǎn)生了單斜伽馬相硫，而且它最多只穩(wěn)定了20-30分鐘。但是我們在一個陰極中創(chuàng)造了它，該陰極經(jīng)歷了數(shù)千個充放電循環(huán)而性能沒有減弱--一年后，我們對它的檢查表明，化學(xué)相一直保持不變。”
經(jīng)過一年多的測試，硫磺陰極仍然穩(wěn)定，正如該團隊報告的那樣，在4000次充放電循環(huán)中，其性能沒有下降，這相當(dāng)于10年的常規(guī)使用。而且，正如預(yù)測的那樣，該電池的容量是鋰離子電池的三倍以上。
Kalra說：“雖然我們?nèi)栽谂α私庠谑覝叵聞?chuàng)造這種穩(wěn)定的單晶硫的確切機制，但這仍然是一個令人興奮的發(fā)現(xiàn)，它可以為開發(fā)更可持續(xù)和負(fù)擔(dān)得起的電池技術(shù)打開許多大門。”
用硫磺替代鋰離子電池中的陰極，將減輕對采購鈷、鎳和錳的需求。這些原材料的供應(yīng)是有限的，而且不容易提取，不會造成健康和環(huán)境危害。另一方面，世界上到處都有硫磺，而且在美國有大量的硫磺，因為它是石油生產(chǎn)的廢物。
Kalra建議，擁有一個穩(wěn)定的硫磺陰極，在碳酸鹽電解質(zhì)中發(fā)揮作用，也將使研究人員能夠在研究鋰陽極的替代品方面取得進展--這可能包括更多的地球資源選擇，如鈉。
Kalra說：“擺脫對鋰和其他昂貴且難以從地球上提取的材料的依賴，對于電池的發(fā)展和擴大我們使用可再生能源的能力來說是至關(guān)重要的一步。開發(fā)一種可行的鋰硫電池為取代這些材料開辟了許多途徑。”
