2014年，空中客車公司的“西風(fēng)7”無人機依靠鋰—硫電池不間斷地飛行了11天/圖 來源：AIRBUS
請接招，特斯拉。位于英國阿賓頓的初創(chuàng)公司——Oxis能源公司的研究人員正在利用鋰和硫的組合制造電池。和目前用于電動汽車的鋰離子電池相比，最新研發(fā)的電池每公斤可儲存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時間不是很長，在約100次充放電循環(huán)后便會失靈。但該公司認為，對于諸如無人機、潛水艇、士兵背負的電源包等用途來說，重量比價格或者壽命更加重要。Oxis的小型試驗工廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標。這些電池會被封裝在手機大小的薄袋子中。
這還算不上超級工廠，至少目前不是。但Oxis首席技術(shù)官David Ainsworth表示，該公司盯上的是一塊更大的“蛋糕”：1000億美元的電動汽車市場。“未來幾年會非常關(guān)鍵。”Ainsworth說，他和其他人視鋰—硫電池為鋰離子電池的“繼承者”并將成為占主導(dǎo)地位的電池技術(shù)。
他們受到了一連串最新報告的鼓舞。報告稱，此項技術(shù)面臨的很多性能和耐用性上的挑戰(zhàn)都可以被克服。“你會看到很多方面正在取得進展。”美國勞倫斯伯克利國家實驗室化學(xué)家Brett Helms表示。不過，諸如加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)家、鋰—硫電池先驅(qū)Linda Nazar等人持謹慎態(tài)度。她認為，創(chuàng)建既擁有高容量又廉價、輕便、小巧、安全的鋰—硫電池“真的是一項艱巨的任務(wù)”。改善一個因素通常以犧牲其他因素為代價。“你不可能同時優(yōu)化所有因素。”Nazar表示。
鋰離子電池包含兩個電極——陰極和陽極。兩者由使鋰離子在充電周期來回移動的液體電介質(zhì)分開。在陽極，鋰原子被夾在具有高導(dǎo)電性的碳——石墨層中間。當電池放電時，鋰原子放棄電子并且產(chǎn)生電流。由此獲得的帶正電荷的鋰離子移動到電解液中。在為從手機到特斯拉汽車的諸多設(shè)備提供動力后，電子最終回到通常由不同金屬氧化物混合而成的陰極。在那里，電解液中的正極鋰離子“依偎”在已經(jīng)吸收了穿行電子的金屬原子附近。充電逆轉(zhuǎn)了這種分子模式，因為外加電壓會推動鋰離子擺脫它們的金屬宿主并且回到陽極。
金屬氧化物陰極是可靠的，但這些通常是鈷、鎳和錳結(jié)合物的金屬很昂貴。同時，由于需要兩個金屬原子“攜手”才能固定單個電子，因此這些陰極很重。而這將電池的性能限制在約200瓦時/公斤（Wh/kg）。硫要便宜很多，并且每個硫原子能固定兩個電子。理論上，擁有硫陰極的電池能儲存500 Wh/kg或者更多。
不過，硫并非電極的理想材料。首先，它是絕緣的：無法將電子傳遞給從陽極上穿越的鋰離子。2009年，一件影響大局的事情發(fā)生了：由Nazar領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)，硫可以被嵌入和陽極一樣由導(dǎo)電碳構(gòu)成的陰極。雖然這種方法行得通，但帶來了其他問題。像石墨一樣的碳形式具有高孔隙度。這增加了電池的整體尺寸，但儲存性能并沒有增強。這意味著需要更多昂貴的液體電介質(zhì)填充這些孔隙。更嚴重的是，當鋰離子同硫原子在陰極結(jié)合時，它們會發(fā)生反應(yīng)形成被稱為聚硫化物的可溶分子。這些分子會漂走，從而使陰極發(fā)生降解并且限制充電周期的數(shù)量。聚硫化物還會遷移到陽極。在那里，它們會造成進一步的破壞。
如今，各個方面都在獲得突破。3個小組在解決陰極出現(xiàn)的問題上取得進步。例如，去年，由Helms領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在《自然—通訊》雜志上報告稱，他們向碳—硫陰極添加了聚合物層，從而將聚硫化物封裝并且使電池在100個充電周期后仍能繼續(xù)使用。由得克薩斯大學(xué)研究人員Arumugam Manthiram領(lǐng)導(dǎo)的另一個團隊用僅有單原子厚度的高導(dǎo)電性薄片石墨替代陰極中的石墨。正如他們在今年1月12日出版的《美國化學(xué)會能源快報》上所報告的，新的石墨陰極持有的硫是傳統(tǒng)石墨陰極的5倍，因此極大地提高了能量儲存。最近，由中國廈門大學(xué)化學(xué)家Nanfeng Zheng領(lǐng)導(dǎo)的團隊在《焦耳》雜志上報告稱，他們通過在氮摻雜碳粒子上放置薄片聚丙烯，創(chuàng)建了超薄“分離器”。其位于陰極上面，能“捕獲”聚硫化物，并將其轉(zhuǎn)化成無害的鋰—硫粒子。這增加了電池的能量輸出，并且?guī)椭鼈冊?00次充電周期后仍能被繼續(xù)使用。
阿貢國家實驗室能源儲存研究聯(lián)合中心主任George Crabtree 表示，所有這些進展將有助于推動鋰—硫電池的進一步發(fā)展。“很難說這些是否是將獲得成功的最終突破，但我很樂觀。” Crabtree說。
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