研讨：阴极化学的打破为更可继续的锂硫电池铺平道路
美国对电动汽车（EVs）不断增加的需求提醒了可继续收购电池技能的严重应战，这种技能是向可再生电力和远离化石燃料的广泛改变所必需的。为了使电池不只比现在用于电动车的电池功能更好，并且还能用现成的资料制成，德雷塞尔大学的一组化学工程师现已找到了将硫磺引进锂离子电池的办法--成果令人震惊。
跟着2021年全球电动车销量翻番，锂、镍、锰和钴等电池资料的价格飙升，这些原资料的供应链（大部分来自其他国家）也因大盛行而堕入瓶颈。这也将注意力会集在原资料的首要供给者：刚果等国家；并提出了从地球上提取这些原资料对人类和环境影响的问题。
早在电动车激增和电池资料缺少之前，开发商业上可行的硫磺电池一向是电池职业的可继续、高功能的方针。这是由于硫磺的天然丰度和化学结构将使其可以贮存更多的能量。德雷塞尔大学工程学院的研讨人员最近在《通讯化学》杂志上宣布的一项打破，供给了一种避开曩昔约束锂硫电池的妨碍的办法，最终将这项备受追捧的技能拉到了商业化的范围内。
他们的发现是一种出产和安稳稀有方法的硫的新办法，这种硫在碳酸盐电解质中发挥作用--商业锂离子电池中运用的能量传输液体。这一开展不只会使硫磺电池在商业上可行，并且它们的容量将是锂离子电池的三倍，并可继续充电4000次以上--相当于运用10年，这也是一个实质性的改进。
领导这项研讨的德雷塞尔大学化学和生物工程系乔治-B-弗朗西斯讲座教授Vibha Kalra博士说：“多年来，硫在电池中的运用一向十分抱负，由于它是地球上丰厚的资源，可以以安全和环保的方法搜集，并且正如咱们现在所证明的，它也有或许以商业上可行的方法改进电动汽车和移动设备的电池功能。”
将硫磺引进商业上友爱的碳酸盐电解质的锂电池的应战是中心硫磺产品（称为多硫化物）和碳酸盐电解质之间发生不可逆的化学反响。由于这种不良反响，曾经测验在碳酸盐电解质溶液的电池中运用硫磺阴极的成果是简直当即封闭，并且在只是一个循环之后就彻底失效。
锂硫(Li-S)电池现已在运用乙醚电解质--而不是碳酸盐--的试验环境中体现出杰出的功能，由于乙醚不会与多硫化物发生反响。可是这些电池在商业上是不可行的，由于乙醚电解质是高度挥发性的，其成分的沸点低至42摄氏度，这意味着任何高于室温的电池升温都或许导致毛病或熔化。
Kalra说：“在曩昔十年中，大多数锂硫范畴选用了醚类电解质以防止与碳酸盐发生不良反响。然后多年来，研讨人员通过缓解所谓的多硫化物络绎/分散，深入研讨怎么进步醚基硫磺电池的功能--但该范畴彻底疏忽了一个现实，即醚电解质自身便是一个问题。在咱们的作业中，首要方针是用碳酸盐代替乙醚，但在这样做的时分，咱们也消除了多硫化物，这也意味着没有络绎，所以电池可以在数千次循环中体现得特别好。”
Kalra团队曾经的研讨也是以这种方法处理问题的--出产一种碳纳米纤维阴极，通过遏止中心多硫化物的移动来减缓根据醚的锂硫电池中的络绎效应。可是为了改进阴极的商业途径，该小组意识到它需要使它们与商业上可行的电解质一同发挥作用。
Kalra说：“具有一个能与他们现已在运用的碳酸盐电解质一同作业的阴极，对商业制作商来说是阻力最小的途径。因而，咱们的方针不是推进职业选用一种新的电解质，而是制作一种可以在现有的锂离子电解质体系中作业的阴极。”
因而，为了期望消除多硫化物的构成以防止不良反响，该团队企图运用蒸镀技能将硫约束在碳纳米纤维阴极基材中。尽管这个进程没有成功地将硫嵌入纳米纤维网中，但它做了一些非同小可的工作，这在研讨小组开端测验阴极时就显现出来。
“当咱们开端测验时，它开端美丽地运转--这是咱们没有想到的。现实上，咱们一遍又一遍地测验它--超越100次--以保证咱们真的看到了咱们认为看到的东西，”Kalra说。“咱们置疑硫磺阴极会导致反响阻滞，但实际上它的体现惊人地好，并且它一次又一次地这样做，没有引起络绎。”
通过进一步查询，研讨小组发现，在将硫沉积在碳纳米纤维外表的进程中--将其从气体变为固体--它以一种意想不到的方法结晶，构成了该元素的一种细微改变，称为单斜伽马相硫。硫的这种化学相，与碳酸盐电解质不发生反响，曾经只在试验室的高温下发生，只在自然界的油井的极点环境中观察到过。
化学和生物工程系的博士生、该研讨的一起作者Rahul Pai说：“起先，很难信任这便是咱们探测到的东西，由于在曾经的一切研讨中，单斜伽马相硫在95摄氏度以下是不安稳的。在上个世纪，只要少量几项研讨发生了单斜伽马相硫，并且它最多只安稳了20-30分钟。可是咱们在一个阴极中发明了它，该阴极阅历了数千个充放电循环而功能没有削弱--一年后，咱们对它的查看标明，化学相一向坚持不变。”
通过一年多的测验，硫磺阴极依然安稳，正如该团队陈述的那样，在4000次充放电循环中，其功能没有下降，这相当于10年的惯例运用。并且，正如猜测的那样，该电池的容量是锂离子电池的三倍以上。
Kalra说：“尽管咱们仍在尽力了解在室温下发明这种安稳的单晶硫的切当机制，但这依然是一个令人兴奋的发现，它可以为开发更可继续和负担得起的电池技能翻开许多大门。”
用硫磺代替锂离子电池中的阴极，将减轻对收购钴、镍和锰的需求。这些原资料的供应是有限的，并且不容易提取，不会形成健康和环境危害。另一方面，世界上处处都有硫磺，并且在美国有很多的硫磺，由于它是石油出产的废物。
Kalra主张，具有一个安稳的硫磺阴极，在碳酸盐电解质中发挥作用，也将使研讨人员可以在研讨锂阳极的代替品方面获得开展--这或许包含更多的地球资源挑选，如钠。
Kalra说：“脱节对锂和其他贵重且难以从地球上提取的资料的依靠，关于电池的开展和扩展咱们运用可再生能源的才能来说是至关重要的一步。开发一种可行的锂硫电池为代替这些资料拓荒了许多途径。”
跟着2021年全球电动车销量翻番，锂、镍、锰和钴等电池资料的价格飙升，这些原资料的供应链（大部分来自其他国家）也因大盛行而堕入瓶颈。这也将注意力会集在原资料的首要供给者：刚果等国家；并提出了从地球上提取这些原资料对人类和环境影响的问题。
早在电动车激增和电池资料缺少之前，开发商业上可行的硫磺电池一向是电池职业的可继续、高功能的方针。这是由于硫磺的天然丰度和化学结构将使其可以贮存更多的能量。德雷塞尔大学工程学院的研讨人员最近在《通讯化学》杂志上宣布的一项打破，供给了一种避开曩昔约束锂硫电池的妨碍的办法，最终将这项备受追捧的技能拉到了商业化的范围内。
他们的发现是一种出产和安稳稀有方法的硫的新办法，这种硫在碳酸盐电解质中发挥作用--商业锂离子电池中运用的能量传输液体。这一开展不只会使硫磺电池在商业上可行，并且它们的容量将是锂离子电池的三倍，并可继续充电4000次以上--相当于运用10年，这也是一个实质性的改进。
领导这项研讨的德雷塞尔大学化学和生物工程系乔治-B-弗朗西斯讲座教授Vibha Kalra博士说：“多年来，硫在电池中的运用一向十分抱负，由于它是地球上丰厚的资源，可以以安全和环保的方法搜集，并且正如咱们现在所证明的，它也有或许以商业上可行的方法改进电动汽车和移动设备的电池功能。”
将硫磺引进商业上友爱的碳酸盐电解质的锂电池的应战是中心硫磺产品（称为多硫化物）和碳酸盐电解质之间发生不可逆的化学反响。由于这种不良反响，曾经测验在碳酸盐电解质溶液的电池中运用硫磺阴极的成果是简直当即封闭，并且在只是一个循环之后就彻底失效。
锂硫(Li-S)电池现已在运用乙醚电解质--而不是碳酸盐--的试验环境中体现出杰出的功能，由于乙醚不会与多硫化物发生反响。可是这些电池在商业上是不可行的，由于乙醚电解质是高度挥发性的，其成分的沸点低至42摄氏度，这意味着任何高于室温的电池升温都或许导致毛病或熔化。
Kalra说：“在曩昔十年中，大多数锂硫范畴选用了醚类电解质以防止与碳酸盐发生不良反响。然后多年来，研讨人员通过缓解所谓的多硫化物络绎/分散，深入研讨怎么进步醚基硫磺电池的功能--但该范畴彻底疏忽了一个现实，即醚电解质自身便是一个问题。在咱们的作业中，首要方针是用碳酸盐代替乙醚，但在这样做的时分，咱们也消除了多硫化物，这也意味着没有络绎，所以电池可以在数千次循环中体现得特别好。”
Kalra团队曾经的研讨也是以这种方法处理问题的--出产一种碳纳米纤维阴极，通过遏止中心多硫化物的移动来减缓根据醚的锂硫电池中的络绎效应。可是为了改进阴极的商业途径，该小组意识到它需要使它们与商业上可行的电解质一同发挥作用。
Kalra说：“具有一个能与他们现已在运用的碳酸盐电解质一同作业的阴极，对商业制作商来说是阻力最小的途径。因而，咱们的方针不是推进职业选用一种新的电解质，而是制作一种可以在现有的锂离子电解质体系中作业的阴极。”
因而，为了期望消除多硫化物的构成以防止不良反响，该团队企图运用蒸镀技能将硫约束在碳纳米纤维阴极基材中。尽管这个进程没有成功地将硫嵌入纳米纤维网中，但它做了一些非同小可的工作，这在研讨小组开端测验阴极时就显现出来。
“当咱们开端测验时，它开端美丽地运转--这是咱们没有想到的。现实上，咱们一遍又一遍地测验它--超越100次--以保证咱们真的看到了咱们认为看到的东西，”Kalra说。“咱们置疑硫磺阴极会导致反响阻滞，但实际上它的体现惊人地好，并且它一次又一次地这样做，没有引起络绎。”
通过进一步查询，研讨小组发现，在将硫沉积在碳纳米纤维外表的进程中--将其从气体变为固体--它以一种意想不到的方法结晶，构成了该元素的一种细微改变，称为单斜伽马相硫。硫的这种化学相，与碳酸盐电解质不发生反响，曾经只在试验室的高温下发生，只在自然界的油井的极点环境中观察到过。
化学和生物工程系的博士生、该研讨的一起作者Rahul Pai说：“起先，很难信任这便是咱们探测到的东西，由于在曾经的一切研讨中，单斜伽马相硫在95摄氏度以下是不安稳的。在上个世纪，只要少量几项研讨发生了单斜伽马相硫，并且它最多只安稳了20-30分钟。可是咱们在一个阴极中发明了它，该阴极阅历了数千个充放电循环而功能没有削弱--一年后，咱们对它的查看标明，化学相一向坚持不变。”
通过一年多的测验，硫磺阴极依然安稳，正如该团队陈述的那样，在4000次充放电循环中，其功能没有下降，这相当于10年的惯例运用。并且，正如猜测的那样，该电池的容量是锂离子电池的三倍以上。
Kalra说：“尽管咱们仍在尽力了解在室温下发明这种安稳的单晶硫的切当机制，但这依然是一个令人兴奋的发现，它可以为开发更可继续和负担得起的电池技能翻开许多大门。”
用硫磺代替锂离子电池中的阴极，将减轻对收购钴、镍和锰的需求。这些原资料的供应是有限的，并且不容易提取，不会形成健康和环境危害。另一方面，世界上处处都有硫磺，并且在美国有很多的硫磺，由于它是石油出产的废物。
Kalra主张，具有一个安稳的硫磺阴极，在碳酸盐电解质中发挥作用，也将使研讨人员可以在研讨锂阳极的代替品方面获得开展--这或许包含更多的地球资源挑选，如钠。
Kalra说：“脱节对锂和其他贵重且难以从地球上提取的资料的依靠，关于电池的开展和扩展咱们运用可再生能源的才能来说是至关重要的一步。开发一种可行的锂硫电池为代替这些资料拓荒了许多途径。”
