理论耦合实验，建立更好的电池

锂硫电池是替代电动汽车中常用锂离子电池的有希望的候选产品，因为它们更便宜、重量更轻，而且能储存差不多两倍于同一质量的能量。然而，随着时间的推移，锂硫电池变得不稳定，电极恶化，限制了广泛采用。

图片说明：这幅图展示了锂硫电池在循环过程中形成复杂离子团簇的过程。这些簇由阳离子聚合物粘合剂、电池电解液和阴离子硫活性材料组成。（信贷：伯克利实验室）

现在，领导的研究小组在能源的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）美国科学家报告说，一种新的锂硫电池组件允许容量比传统的锂硫电池增加了一倍，甚至在100以上的充电周期在高电流密度，这是电动汽车采用关键绩效指标（EVS）和航空。

他们通过设计一种新的聚合物粘合剂来调节锂硫电池中的关键离子输运过程，并展示了它如何在分子水平上起作用。最近在自然通讯中报道了这项工作。

“新的聚合物作为一堵墙，”Brett Helms说，在伯克利实验室分子铸造和相应的作者研究工作的科学家。硫被装入碳的孔隙中，然后由我们的聚合物密封。由于硫参与了电池的化学反应，聚合物防止带负电荷的硫化合物游荡。电池对下一代电动汽车有很大的希望。”

当一个锂硫电池储存和释放能量时，化学反应产生的硫磺移动分子与电极断开，导致它降解并最终降低电池容量。为了使这些电池更稳定，研究人员一直致力于为他们的电极开发保护涂层，并开发新的聚合物粘合剂，充当粘合电池组件的胶水。这些粘结剂的目的是控制或减轻电极的肿胀和开裂。

新活页夹又向前迈进了一步。位于伯克利实验室的分子铸造中心的有机合成设施的研究人员，一个专门研究纳米科学的研究中心，设计了一种聚合物，通过选择性地结合硫分子，使硫保持在靠近电极的位置，从而抵消了它的迁移倾向。

下一步是了解充电和放电以及不同充电状态下可能发生的动态结构变化。David Prendergast，谁指使的铸造的理论工具，Tod Pascal理论中的设施项目的科学家，建立了一个模拟试验研究者假设聚合物的行为。

“我们现在可以可靠、高效的模型在基于从硫化学溶解含硫产品详细的量子力学模拟学习这些粘合剂，”说加斯特。

大规模的分子动力学模拟，对超级计算资源，在伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC），证实了聚合物具有绑定手机硫分子的亲和力，而且还预测，聚合物可能会显示一个绑定不同的硫在不同的充电状态的电池选择。在伯克利实验室的先进光源和阿贡国家实验室的研究发现实验室进行的实验证实了这些预测。

研究小组进一步研究了新的聚合物粘合剂制成的锂硫电池的性能。通过一组实验，他们能够分析和量化聚合物如何影响硫阴极中的化学反应速率，这是用这些电池实现高电流密度和高功率的关键。

由于电池的电容量在长期循环中几乎翻了一番，这种新聚合物提高了锂硫电池的容量和功率。

The combined understanding of the synthesis, theory, and characteristics of the new polymer have made it a key component in the prototype lithium-sulfur cell at DOE’s Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).

伯克利实验室分子铸造，先进的光源，和一个是科学用户设施是开放的，从世界各地的访问学者的美国能源部办公室。

在伯克利实验室和美国阿贡国家实验室的研究人员从jcesr组成团队，一起从麻省理工学院的科学家，和UC伯克利。为项目提供资金是由jcesr，一个部门的能源创新中心是由美国能源部科学办公室支持。