新方法可以提高锂电池的能量容量

世界各地的研究人员一直在寻找一种电池，这种电池能装上一个冲头，但比现在的电池更小、更轻，有可能使电动汽车能够行驶更远，或者使便携式电子设备在不充电的情况下运行更长时间。现在，麻省理工学院和中国的研究人员说，他们已经在这一领域取得了重大进展，新版本的锂电池的关键部件——阴极。

研究小组将他们的概念描述为“混合”阴极，因为它结合了两种不同的方法，一种是增加每磅的能量输出（重量能量密度），另一种是每升的能量（体积能量密度）。他们说，这种协同组合产生了一种既能带来好处，又能带来更多好处的版本。

这项工作今天在《自然能源》杂志上发表，发表在麻省理工学院核科学与工程和材料科学与工程教授Ju Li、麻省理工学院博士后Weijiang Xue和其他13人的论文中。

如今的锂离子电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的阴极（电池中的两个电极之一），但使用硫制成的阴极的电池被认为是一种有希望的减轻重量的替代品。今天，锂硫电池的设计者面临着一个权衡。

这种电池的阴极通常有两种方式，即插层式或转换式。夹层类型使用锂钴氧化物等化合物，提供高体积能量密度-由于密度高，每体积填充大量冲压件。这些阴极可以保持其结构和尺寸，同时将锂原子纳入其晶体结构。

另一种阴极方法称为转化型，它使用的硫在结构上转化，甚至暂时溶解在电解液中。“理论上，这些[电池]有很好的重量能量密度，”李说。“但是体积密度很低，”部分原因是它们需要很多额外的材料，包括过量的电解质和碳，用来提供导电性。

在他们的新混合系统中，研究人员设法将这两种方法结合到一种新的阴极中，这种阴极既包含一种称为Chevrel相的硫化钼，又包含纯硫，这两种元素的结合似乎提供了两者的最佳方面。他们利用这两种材料的粒子，将它们压缩成固体阴极。李说：“这就像是炸药中的引燃剂和TNT，一种快速反应，一种每重量能量更高。”

李说，除其他优点外，这种复合材料的导电率相对较高，因此减少了对碳的需求，并降低了总体积。他说，典型的硫阴极由20%到30%的碳组成，但新版本只需要10%的碳。

使用这种新材料的净效果是巨大的。如今，商用锂离子电池的能量密度为每千克250瓦时和每升700瓦时，而锂硫电池的最大能量密度为每千克400瓦时，但每升只有400瓦时。李说，新版本的初始版本还没有经过优化，已经可以达到每千克360瓦时和每升581瓦时。在这些能量密度的组合方面，它可以击败锂离子和锂硫电池。

他说，通过进一步的工作，“我们认为我们可以达到每千克400瓦时和每升700瓦时”，后者的数字等于锂离子。该团队已经比许多旨在开发大型电池原型的实验室实验更进一步：他们没有测试容量只有几毫安培小时的小型硬币电池，而是生产了一个容量为m的三层袋式电池（电动汽车等产品的电池标准子单元）。大于1000毫安培小时。这与一些商用电池相当，表明新设备确实符合其预期特性。

到目前为止，这种新型电池在失去太多的能量而无法使用之前，它所能经历的充放电循环次数还不能与锂离子电池的寿命相提并论。但这一限制“不是阴极的问题”；它与整个电池设计有关，“我们正在努力解决这个问题，”李说。他说，即使在目前的早期形态中，“这可能对某些特定的应用很有用，比如远程无人机”，因为重量和体积比寿命更重要。

“我认为这是一个新的研究领域，”李说。

工作由三星先进技术研究院、国家重点技术研发计划、中国国家科学基金会、麻省理工学院材料科学与工程系资助。该团队还包括麻省理工学院的金刚教授和其他人，以及北京中国科学院的研究人员，中国广东松山湖材料实验室，马萨诸塞州伯灵顿的三星美国先进技术研究所和上海同济大学。