研究人员开发出新型超高容量锂硫电池

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莫纳什大学（Monash University）的研究人员研发出一种新型锂硫电池，其容量是锂离子电池的5倍，对环境影响更小。这种采用锂和硫（Li-S）的电池能够在200多次充放电中保持99％的效率，这项技术可能改变未来手机、汽车、计算机和太阳能网络的生产方式。

莫纳什大学（Monash University）的研究人员研发出一种新型锂硫电池，其能效远高于目前的锂离子电池。
这种新电池的容量是锂离子电池的5倍，对环境影响更小，因此可能推动极低价格电动汽车及大规模市电储存的发展。这种采用锂和硫（Li-S）的电池能够在200多次充放电中保持99％的效率，如果用于智能手机供电，则能够使其连续工作5天（图1）。
新电池由澳大利亚墨尔本莫纳什大学机械工程和航空航天系的研究人员Mahdokht Shaibani及同事开发。

研究人员为相关的制造工艺申请了专利（PCT/AU 2019/051239），原型电池已由其德国合作者（包括德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所）成功制造出来。科学家们相信，这项技术可能改变未来手机、汽车、计算机和太阳能网络的生产方式。这项研究发表在Science Advances杂志上。
研究小组成员包括Shaibani以及她的莫纳什大学团队，还有来自CSIRO（澳大利亚联邦科学与工业研究组织）、列日大学、Fraunhofer及Beam Technology的同仁。
小组成员之一、莫纳什大学教授Mainak Majumder说：“锂硫电池的设计与实现可能彻底改变汽车市场。”

图1：莫纳什大学副教授Matthew Hill、Mahdokht Shaibani博士和Mainak Majumder教授。
人们一直在寻找寿命更长、续航更久的电池解决方案。研究人员也一直在研究如何使电池充更多电、工作更长时间。
目前锂硫电池的弱点在于硫电极的储电容量太大，电池在正常充放电时会破裂，因为硫电极在充放电过程中会不断膨胀和收缩，电极的体积变化率高达78％。
当硫电极充电至所需水平（5至10 mg cm-2）时，由于嵌锂/脱锂量发生显著变化并因此产生应力，其高能量性能迅速降低。研究人员在化学层面为硫颗粒提供了更大的空间，他们使用更少量的聚合材料将硫颗粒保持在电极中，从而使硫颗粒之间的间距更大。研究人员使用与锂离子电池相同的材料，改进了硫阴极设计，使其可承受更高应力的负载而不会降低整体容量或性能。
由于硫是一种贮量丰富且价格低廉的化学物质，因此锂硫电池的出现可以大大降低电池成本。当然，与锂离子电池一样，锂硫电池的生产同样可能出现道德问题。对电动汽车来说，其主要问题与电池生产所需的原材料的提取过程有关。许多研究都专注于开发对环境影响较小且较便宜的材料，例如硫。
科学家称，到2050年，上路行驶的电动汽车总量将达到9.65亿辆，电池存储容量将增至12380GWh，而光伏系统的存储容量将超过7100GW。未来几年对金属的需求将大大增加。
未来几年，无论是运输方面还是电力方面，电池都是欧洲能源供应系统脱碳的关键技术之一。硫是石油处理产生的废弃物质，因此很容易找到而且价格便宜。不久的将来，我们需要可靠、安全、续航更久且用得起的新一代高性能电池。
在电气和热力系统完全脱碳的过程中，储能系统将发挥越来越重要的作用。将化石燃料转化为可再生能源也需要先进的储能技术，例如储能系统和电池。
与传统的锂离子（Li-ion）电池相比，新的储能技术使用了硫，因此更廉价、过载承受力更强、毒性更低、重量更轻。
充分利用锂硫电池的电化学反应优点，可能会促进各个应用领域的发展。还有研究人员发现，将硫碳储能单元包裹在薄薄的柔性石墨烯片中可加速电子和离子的传输，改善了性能和电导率，从而获得更长的电池寿命、更好的循环稳定性和更高的效率。

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