- 新型鋰硫電池技術提高硫的能量儲存能力。
- 研究人員引入氯以促使硫交換第三個電子。
- 實驗電池在充電循環後保留78%初始容量。
- 這項技術仍處於早期演示階段，商業化尚需改進。
美國的研究人員開發出一種新的鋰硫電池化學，該技術使硫能參與額外的儲能反應，潛在地提高這些實驗性電池的能量儲存能力。來自範德比爾特大學和馬裏蘭大學的團隊使用氯來促使硫原子在充電和放電過程中交換第三個電子。實驗室測試顯示，這種方法使硫的儲能容量增加約 58%，同時將平均工作電壓從約 2.05 伏特提升至 2.54 伏特。這些發現可能幫助研究人員從硫中提取更多能量，硫作為一種豐富且相對廉價的材料，已被探索作為鋰離子電池中陰極材料的替代品。
釋放硫的第三個電子
引入氯的創新方法
鋰硫電池受到廣泛關注，因為硫的重量儲存電荷的能力遠超常用於鋰離子陰極的材料。然而，傳統的鋰硫化學在相對低的電壓下運行。範德比爾特大學化學工程學及化學學教授江德恩表示：「傳統的鋰硫電池思維方式未能充分發揮硫的氧化還原能力。我們希望能擴展硫的氧化還原能力，利用它儲存更多能量。」在傳統鋰硫電池中，每個硫原子在充放電過程中交換兩個電子。研究人員引入氯來延長這一過程，使硫能交換第三個電子。
這一額外反應在更高的電壓下進行。隨著充電容量和電壓的增加，實驗電池中的一公斤硫能儲存超過 1,700 瓦時的能量。
電解質控制反應
電解質的關鍵角色
使額外反應可逆要求研究人員解決另一個問題。氯需要在充電過程中與硫相互作用，而不允許產生的硫氯化合物穿過電池並與鋰金屬電極反應。團隊使用分子模擬研究了鋰和氯化物離子在不同電解質中的行為。計算幫助研究人員設計出能保持氯化物與硫反應的電解質。他們還選擇了一種硫氯反應產物不易溶解的電解質，以保持材料在正電極內部，從而在放電過程中允許反應反轉。隨後幾種光譜技術確認硫在充放電過程中不斷通過新獲得的化學狀態。
小型袋裝電池保留 78% 容量
小型電池的實驗結果
研究人員還建造了一個小型單層袋裝電池，以展示該化學在通常用於早期電池研究的硬幣電池之外的應用。該袋裝電池在 100 次充電循環後保留了 78% 的初始容量。然而，這項技術仍處於早期演示階段。原型使用鋰金屬電極，硫的用量相對適中，並且電解質的用量較多，這在商業電池中並不理想。在考慮主要電池組件而非僅考慮電極後，研究人員估計這種方法能實現每公斤 477 瓦時的堆疊特定能量，這比研究中用於比較的傳統鋰硫系統高出約 37%。
這些發現已發表在《自然能源》期刊上。
項目 規格 儲能容量增幅 約 58% 平均工作電壓 從 2.05 伏特提升至 2.54 伏特 每公斤硫能儲存能量 超過 1,700 瓦時 堆疊特定能量 每公斤 477 瓦時
新技術的潛在影響與挑戰
這項新型鋰硫電池技術的開發具有重要意義，因為它能顯著提高硫的能量儲存能力，為未來的電池技術提供了新的可能性。儘管目前仍處於早期演示階段，但研究人員已經展示了其在充電循環中的穩定性，這對於商業化應用至關重要。隨著對電解質的進一步研究和優化，這項技術有潛力在電動車和可再生能源儲存方面發揮重要作用，推動可持續能源的發展。