全固態鋰硫電池能量密度比傳統鋰離子電池高4倍

日本的研究人員采用簡單液相法合成了一種活性含硫材料和碳納米纖維復合材料，制成了全固態鋰硫電池，其能量密度是傳統鋰離子電池的5倍。

蓋世汽車訊 據外媒報道，日本豐橋技術科學大學（Toyohashi University of Technology）電氣與電子信息工程系的一組科學家采用一種低成本的簡單液相法合成了一種活性含硫材料和碳納米纖維（CNF）復合材料。研究人員采用液相法制成了硫-CNF復合材料，再制成了全固態鋰硫電池，與鋰離子二次電池相比，其放電容量更高、循環穩定性更好。因此，未來，此類固態鋰硫電池將能夠用于電動汽車等。

去年獲得諾貝爾化學獎的鋰離子二次電池已被廣泛應用于智能手機、電動汽車等領域。近年來，由于混合動力汽車和電動汽車的數量增加，全固態電池作為下一代電池也受到了關注。特別是全固態鋰硫電池的能量密度是傳統鋰離子二次電池的5倍，因而其備受關注。不過，硫是一種絕緣體，因此限制了其應用于電池設備。為了解決該問題，硫必須配備能夠傳導離子和電子的路徑。

該研究小組就提出了一種將含硫活性材料與碳納米纖維（CNF，由靜電組裝法制備而成）結合而成的陰極復合材料，此種碳納米纖維能夠在溶液中與其他材料均勻結合。采用硫-CNF復合材料和電化學穩定液相法合成的Li2S-P2S5-LiI固體電解質制備了全固態鋰硫電池，該電池的放電容量與硫的理論容量相當，在多次充放電循環后仍保持較高容量。

研究人員解釋了該電池的特點：“為了制出高性能的全固態鋰硫電池，需要將適量的含硫活性材料與適量的碳材料相結合。一般而言，硫碳復合材料通過機械混合、特殊有機溶液液體混合以及復雜法（硫與具有高比表面積的多孔碳材料相結合）合成。不過，幾乎沒有報道說全固態鋰硫電池的容量可以與硫的理論容量幾乎相當，循環穩定性也高。所以，我們致力于采用一種低成本的簡單靜電吸附法，將納米材料均勻地結合在一起，制成硫碳復合材料。研究也證實了采用靜電吸附法合成的硫碳復合材料能夠以片狀形式在碳納米纖維上積累，最終我們打造了全固態鋰硫電池，而且發現硫作為一種活性材料得到充分地利用。另一個優點是，此種硫碳復合材料的生產成本比傳統工藝制成成本低?！?/p>

靜電吸附法利用聚合電解質調整顆粒物表面的電荷，使較大的母顆粒物與較小的顆粒物能夠利用靜電吸附在一起，從而引發靜電作用。雖然之前有過利用靜電吸附法設計各種陶瓷復合材料的報道，但是很難調節硫表面的電荷。不過，該研究小組利用化學反應，成功調整了電荷，在該化學反應中，硫化鈉（Na2S）與硫（S）在離子交換水中反應，形成了水溶性Na2S3。所以，該研究應用靜電吸附的基本原理，實現了一種新型化學工藝。

該方法能夠制備硫碳復合材料，成本低且相對簡單，適合用于大規模生產。采用含硫活性材料制成的全固態鋰硫電池將得到實際應用，預計電動汽車、家用和商用大型電源電池的能量密度也將呈指數級增長。（文中圖片均來自phys.org）