耶鲁:石墨烯复合材料提高锂硫电池寿命


  

    研究人员最近找到了一种新方法使锂硫电池的性能大大提升。

  相比于传统的锂离子电池,锂硫电池有诸多优势,如使用更便宜的材料和具有更轻的重量。在具有相同重量的情况下,锂硫电池能存储的能量大约是锂离子电池的两倍,这将在能量密度起关键作用的领域有重要应用,例如便携式电子产品和车载电源。

  提供能量密度和降低能量存储成本是实现交通运输和产能中减少温室气体排放的重要环节。

  然而,在几个放电充电循环后,锂硫电池会逐渐变得不稳定,并且它的电极发生分解,这一瑕疵阻碍了锂硫电池的广泛应用。

  尤其是锂离子会与硫反应生成化合物,从而减少了电池的容量。

  耶鲁大学化学教授Victor Batista说,当上述现象发生时,他们堵塞了电极表面,以防止锂进入并同负极在一起。

  以往稳定锂硫电池的措施包括采用防护涂料,但这会增加器件的重量,同时显著影响其他性能。

  Batista和他的合作者在《美国国家科学院院刊》撰文称,采用了一种复合膜使锂硫电池的使用寿命显著提高。研究者首先模拟了何种材料和结构将有利于锂硫电池寿命的延长,计算了分子如何与各种材料相互作用。

  该研究组使用由单层碳原子组成的石墨烯、有机分子和一种树状的聚合物来制作这种薄膜。结果显示这种膜平均厚度90纳米。

  这种薄膜将锂硫化合物限制在一个地方,阻止了它们融入电解液而降低电池的性能。基于这种机制,科学家发现电池循环寿命得到延长而其他性能得到较好保持。

  Batista说,让人惊喜的是,通过使用这种材料,我们能够打破现有记录,加入最少的添加剂而有最好的稳定性。

  共同作者,耶鲁大学能源科学研究所博士后Jianbing Jiang说,这种复合材料来源于商业化的原材料,因此可以更加便宜和利于工业放大。理论上,这种材料的制备非常简单和直接。

  研究人员称他们仍在工作的初始阶段,并在进一步提高锂硫电池性能。共同作者Ke Yang,同样也是来自能源研究所的博士后说,基于前期工作,我们可以设计出新材料来得到更好的性能。