查默斯理工大学使用石墨烯气凝胶 助力锂硫电池研发

据外媒报道，为了适应电气化未来的需求，需要研发新型电池技术，其中一个选择就是锂硫电池，与锂离子电池相比，理论上来说，此种电池能量密度要高5倍。最近，瑞典查默斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员在石墨烯海绵（graphene sponge）的帮助下，利用阴极电解液，在此种电池的研发上获得了突破。

研究人员的想法非常新颖，利用一种由还原氧化石墨烯制成的多孔、类似海绵的气凝胶，当作电池的独立电极，从而更好地利用硫、提高利用率。

传统电池由四部分组成，首先，有两个覆盖活性物质的支撑电极，即阳极和阴极；它们之间是电解质，通常是液体，可让离子来回转移；第四个部分是分离器，作为物理屏障，可防止两个电极接触的同时，允许离子转移。

此前，研究人员曾尝试将阴极和电解质结合在一起，成为“阴极电解液”。该概念有助于减轻电池重量，同时使充电速度更快，供电能力更强。现在，由于石墨烯气凝胶得到了发展，该概念被证明有效可行，而且前景很好。

首先，研究人员在一个标准电池盒内注入薄薄的一层多孔石墨烯气凝胶。查默斯理工大学物理系兼本研究的首席研究员Carmen Cavallo表示：“气凝胶是一个长瘦型的圆柱体，将它像切意大利香肠一样切成薄片，然后将薄片挤压放入电池。然后再拿一种含硫丰富的溶液，即阴极电解液，加入到该电池中。多孔气凝胶作为支撑，会像海绵一样吸收该溶液。”

“石墨烯的多孔结构是关键，可吸收大量阴极电解液，得到足够的硫，进而使阴极电解液概念得以实现。此类半液体阴极电解液非常有必要，可以在硫循环的过程中不损失任何硫，由于硫已经溶解在阴极电解液中，因此不会因溶解而损失”。

为了使阴极电解液发挥其电解质的作用，还在分离器中加入了部分阴极电解液，这也最大限度地提高了电池的硫含量。

目前，大多数商用电池都是锂离子电池，但是此种电池的发展已接近极限，为了满足更高的要求，寻找新型化学方法变得更加重要。而锂硫电池具有多个优点，如能量密度更高。目前，市场上最好的锂离子电池的工作效率为300瓦时/千克，理论上说，最大可达350/千克。而理论上来说，锂硫电池的能量密度约为1000至1500瓦时/千克。

查默斯理工大学物理系教授兼此次研究主导人Aleksandar Matic表示：“此外，硫很便宜，储量丰富，而且更加环保。此外，锂离子电池中普遍含有对环境有害的氟，而锂硫电池却没有。”

目前为止，锂硫电池的问题在于不够稳定，导致循环寿命短。但是在查默斯理工大学的研究人员在测试新电池原型时，发现新电池在350次循环后，仍保持85%的容量。

新设计避免了硫锂电池降解过程中的两个主要问题，一个是硫溶解到电解质中而丢失，另一个是硫分子从阴极迁移到阳极的“穿梭效应”。在这个设计中，此类问题的影响都被大大减少了。

但是，研究人员指出，该项技术要完全发挥市场潜力仍还有很长一段路要走。Aleksandar Matic表示：“由于此种电池的生产方式不同于大多数正常电池，因此还需要研发新的生产工艺，以实现该电池的商业化。”

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