美國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車（EVs）不斷增長(zhǎng)的需求揭示了可持續(xù)采購(gòu)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(yuǎn)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(dòng)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(dòng)車銷量翻番，鋰、鎳、錳和鈷等電池材料的價(jià)格飆升，這些原材料的供應(yīng)鏈（大部分來自其他國(guó)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(guó)家；并提出了從地球上提取這些原材料對(duì)人類和環(huán)境影響的問題。
早在電動(dòng)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?yàn)榱蚧堑奶烊回S度和化學(xué)結(jié)構(gòu)將使其能夠儲(chǔ)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(xiàng)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(xiàng)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(huì)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(gè)實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)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?yàn)樗堑厍蛏县S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(dòng)汽車和移動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)環(huán)境中表現(xiàn)出卓越的性能，因?yàn)橐颐巡粫?huì)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?yàn)橐颐央娊赓|(zhì)是高度揮發(fā)性的，其成分的沸點(diǎn)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(kuò)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(gè)事實(shí)，即醚電解質(zhì)本身就是一個(gè)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(shí)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(tuán)隊(duì)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(dòng)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(shí)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(gè)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(duì)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(dòng)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(tuán)隊(duì)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(gè)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(cè)試陰極時(shí)就顯現(xiàn)出來。
“當(dāng)我們開始測(cè)試時(shí)，它開始漂亮地運(yùn)行--這是我們沒有想到的。事實(shí)上，我們一遍又一遍地測(cè)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(huì)導(dǎo)致反應(yīng)停滯，但實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(cè)到的東西，因?yàn)樵谝郧暗乃醒芯恐?，單斜伽馬相硫在95攝氏度以下是不穩(wěn)定的。在上個(gè)世紀(jì)，只有少數(shù)幾項(xiàng)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?cè)谝粋€(gè)陰極中創(chuàng)造了它，該陰極經(jīng)歷了數(shù)千個(gè)充放電循環(huán)而性能沒有減弱--一年后，我們對(duì)它的檢查表明，化學(xué)相一直保持不變。”
經(jīng)過一年多的測(cè)試，硫磺陰極仍然穩(wěn)定，正如該團(tuán)隊(duì)報(bào)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(cè)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(jī)制，但這仍然是一個(gè)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(duì)采購(gòu)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(huì)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(guó)有大量的硫磺，因?yàn)樗鞘蜕a(chǎn)的廢物。
Kalra建議，擁有一個(gè)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(jìn)展--這可能包括更多的地球資源選擇，如鈉。
Kalra說：“擺脫對(duì)鋰和其他昂貴且難以從地球上提取的材料的依賴，對(duì)于電池的發(fā)展和擴(kuò)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。”
