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高性价比锂硫电池问世:500次充放电无损

由站长搜索于 2014-06-06 23:46:59 整理发布    

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一种工业废品、一点塑料,再加上不太高的温度,或许就是引爆下一个电池革命的导火线。美国国家标准与技术研究所(NIST)、亚利桑那大学和韩国首尔国立大学的研究人员携手,将这些材料混合在一起,研制出了一种廉价、高功率的锂硫电池。研究人员表示,新电池的性能可与目前市场上占主流的电池相媲美,而且,经过500次充放电循环后功能无损。

过去数十年来,锂离子电池的能量密度不断提高,广泛应用于智能手机等领域。但锂离子电池需要笨重的阴极(一般由氧化钴等材料制成)来“收纳”锂离子,限制了电池能量密度的进一步提高。这意味着,对诸如长距离电动汽车等需要更大能量密度的应用来说,锂离子电池有点力不从心。

因此,科学家们将目光投向了锂离子电池更纤瘦的“表妹”――锂硫电池身上,后者的阴极主要由硫(石油工业廉价的副产品)制成。硫的“体重”仅为钴的一半,因此,同样体积的硫收纳的锂离子数为氧化钴的两倍,这就使得锂硫电池的能量密度为锂离子电池的数倍。

但硫阴极也有两大劣势:首先,硫容易与锂结合,形成的化合物会结晶;其次,不断的充放电循环使硫阴极容易破裂,因此,一块典型的锂硫电池经过几次循环就成了无用之物。

据物理学家组织网6月4日报道,在最新研究中,为了制造出稳定的硫阴极,研究人员将硫加热到185摄氏度,将硫元素由8个原子组成的环路融化成长链,随后,他们让硫链同二异丁烯(DIB,一种碳基塑料前体)混合,二异丁烯让硫链连接在一起,最终得到了一种混合聚合物。他们将这一过程称为“逆向硫化”,因为其同制造橡胶轮胎的过程类似,关键的区别在于:在轮胎中,含碳材料会聚集成一大块,硫则点缀其中。

科学家们解释道,添加二异丁烯使硫阴极不那么容易破碎,也阻止了锂硫化合物结晶。研究表明,硫和二异丁烯的最佳混合为二异丁烯占总质量的10%到20%。如果太少,无法保护阴极;如果太多,电化学性能不活跃的二异丁烯会降低电池的能量密度。

测试表明,经过500次循环后,电池的能量密度仍为最初的一半多。亚利桑那大学的化学家杰弗里・佩恩表示,其他还处于实验阶段的锂硫电池也有同样的性能,但其制造成本高昂,很难进行工业化生产。

NIST的材料科学家克里斯托弗・索尔斯表示,尽管如此,这种锂硫电池短期内也不会上市,硫暴露在空气中很容易燃烧,因此,任何经济可行的锂硫电池都需要经过非常严苛的安全测试,才能投放市场。


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