建築「鋼筋混凝土」電池

隨著人類對環境保護的重視，新能源汽車可謂發展迅猛。然而，大多數人對電動汽車仍然持懷疑或觀望的態度，這主要是由於現階段商用的鋰離子電池能量密度較低，造成電動汽車巡航里程「不給力」，這成為制約新能源汽車發展的主要瓶頸之一。

在市場需求推動下，更高容量的鋰硫電池 「脫穎而出」。鋰硫電池，顧名思義，即以單質硫作正極，金屬鋰作負極的一種新型電池，由於其理論容量為鋰離子電池的五倍之多，並且硫原材料來源豐富、價格低廉、低毒無害，使得國內外對鋰硫電池的開發產生了濃厚的興趣，鋰硫電池被認為是最具潛力的下一代高能量電池體系之一。

容易自我「耗電」，讓鋰硫電池使用時間不長

有利就有弊，鋰硫電池也逃不了這個規律。由於在充放電過程中，鋰硫電池產生的聚硫化物能溶解於電解液中，隨電解液「游」到負極，與負極發生反應（即所謂的「穿梭效應」）。

這一現象使得鋰硫電池在充放電過程中，外部放電，內部也跟著「耗電」，導致鋰硫電池的壽命遠不及鋰離子電池。為此科學家們嘗試用各種方式把正極產物固定在正極內部，以減少穿梭效應的發生。

從木材中找靈感，建築「鋼筋混凝土」電池

木質素，一種世界上第二豐富的天然有機物，廣泛存在於植物的木質部（負責給植物上端運輸水和礦物質的組織）中， 木質素纖維就是通過對天然的木材經過一系列的物理化學處理，得到的一種含有木質素的有機纖維。木質素纖維具有優異的化學穩定性，無毒、無害、無污染，屬於純綠色環保的產品，可用於各種材料中充當穩定抗裂劑。

受此啟發，中科院青島能源所先進儲能材料與技術研究組的研究人員，將木質素纖維充當鋰硫電池正極材料的骨架，並與碳納米管、石墨烯共同組建了一種類似「鋼筋混凝土」結構的鋰硫正極材料，該正極材料有較強的柔韌性可以隨意摺疊彎曲，如圖1所示。

圖1 「類鋼筋混凝土」柔性載硫體極片製備示意圖

由於木質素分子內部含有大量的羥基（-OH），能夠有效的與鋰硫電池正極中間產物中的Li+產生類似氫鍵（-HO…H）的鋰鍵相互作用（-HO…Li）。正是這種相互作用，使木質素纖維能夠很好的捕獲遊離在電解液中的硫化物，讓它老老實實的待在正極。因此，木質素纖維充當「鋼筋」，既能穩固正極片結構，同時又能有效地吸附正極反應產生的硫化物。

此外，為了使電子能夠更加快速的傳輸到鋰硫電池的正極，研究人員在該柔性極片底部增加一層石墨烯薄膜，從而實現鋰硫電池的快速充放電的目的。

基於以上思路，該研究組製備出高性能鋰硫電池，其放電容量可接近鋰硫電池的理論容量，遠高於相關報道的容量；同時該電池表現出優異的循環穩定性，500圈後容量保持率高達86.5%。即使在9.2 mg cm-2高載硫量下（更高的載硫代表更高的能量密度），該柔性極片通過雙層疊加的方式，使得鋰硫電池依舊保持優異的循環穩定性。

該方法具有簡單、易操作，製作成本低等諸多優勢，非常適合大規模推廣。該工作對提高鋰硫電池硫利用率和循環壽命提供了一種新的思路。

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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