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全新锂硫电池结构登场,以石墨烯与阴极电解质有效提高稳定性

全新锂硫电池结构登场,以石墨烯与阴极电解质有效提高稳定性

电池组成就像三明治一样层层叠叠,不同的材料与结构就会有不同的性能表现,最近瑞典查尔摩斯工学院团队将锂硫电池焕然一新,不仅加入石墨烯气凝胶薄片提高效率,更将阴极与电解质部分合二为一,达成提升电池稳定性与降低重量目标。

电池主要由两个电极,电极之间的电解质与隔离膜组成,离子首先会从阴极出发,经过电解质与隔离膜最后抵达阳极,不过未来电池的结构已不一定是如此。过去曾有研究为了减轻电池重量、提高充放电速度与储电力,试图将阴极与电解质合体,开发出「阴极电解质(catholyte)」,而随着技术进步,现在科学家已初步达成目标。

查尔摩斯工学院团队首先以钮扣型锂硫电池进行实验。他们先将长条形石墨烯气凝胶切成一片片的薄膜,之后再调整大小与尺寸放入富含硫的阴极电解质溶液,其中石墨烯气凝胶薄片具有多孔结构特性,既可当成支架,也可以化身成海绵,吸收大量阴极电解质溶液以提高电池硫负荷(loading)。

团队指出,阴极电解质设计可以让锂硫电池许多难题迎刃而解,过去该电池一直无法突破「硫易溶解到电解质」以及「硫分子会跑到阳极」等超级大缺点,这让电池的稳定性与寿命双双难以提高,但现在查尔摩斯工学院团队已解决这上述问题,研究员 Carmen Cavallo 表示,由于硫早已溶解在阴极电解质中,因此不用再担心硫在充放电中消失与被溶解。

目前团队也成攻打造出新型锂硫电池原型,稳定性也有大幅提高,在充放电循环 350 次之后,容量仍可维持在 85%,有助于加速锂硫电池的商业化进展。

锂硫电池理论重量能量密度是锂电池的 3-5 倍,高达每公斤 2,700Wh,且还具有电池重量轻、原材料丰富、不需要用到氟等优势,虽然目前锂离子电池仍是市场主流,但这并不影响科学家对锂硫电池的关注与期待,假如未来科学家研发有成,人们将可享用更轻、成本更低与容量更大的电池。

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