石墨烯海绵有助于锂硫电池发挥新的潜力

为了满足未来的电力需求，新的电池技术将是必不可少的。一种选择是锂硫电池，其理论能量密度大约是锂离子电池的5倍。瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员最近公布了这种电池的一个有希望的突破，即在石墨烯海绵的帮助下使用阴极。

图片说明：Chalmers锂硫电池的设计。石墨烯气凝胶的高多孔性使得足够高的硫浸透，使阴极的概念有价值。（Yen Strandqvist/Chalmers理工大学）

研究人员的新想法是一种多孔的海绵状气凝胶，由还原的氧化石墨烯制成，在电池中起到独立电极的作用，并允许更好和更高地利用硫。

传统的电池由四部分组成。首先，有两个带有活性物质的支撑电极，即阳极和阴极。它们之间是一种电解质，通常是一种液体，允许离子来回转移。第四个部件是一个分离器，它起物理屏障的作用，防止两个电极之间的接触，同时仍允许离子转移。

研究人员之前曾尝试将阴极和电解质结合成一种液体，即所谓的“阴极”。这一概念有助于减轻电池的重量，并提供更快的充电速度和更好的电源能力。现在，随着石墨烯气凝胶的发展，这一概念已经证明是可行的，并提供了一些非常有前景的结果。

以一个标准的硬币电池为例，研究人员首先插入一层薄薄的多孔石墨烯气凝胶。

你拿着气凝胶，它是一个长而薄的圆筒，然后你把它切成薄片——就像意大利香肠一样。你拿着这个切片，然后压缩它，以适应电池，”查尔姆斯物理系的卡门·卡瓦洛说，他是这项研究的首席研究员。

然后，向电池中加入一种富硫的阴极溶液。多孔气凝胶起到支撑作用，像海绵一样吸收溶液。

石墨烯气凝胶的多孔结构是关键。它吸收了大量的阴极，给你足够高的硫负荷，使阴极概念值得。这种半液体的阴极是非常必要的。它允许硫在没有任何损失的情况下来回循环。它不会因溶解而丢失，因为它已经溶解在阴极溶液中，”卡门·卡瓦洛说。

一些阴极溶液也被应用到分离器上，以使其发挥电解质的作用。这也使电池的硫含量最大化。

目前使用的大多数电池，从手机到电动汽车，都是锂离子电池。但是这种类型的电池已经接近极限，因此新的化学物质对于功率要求更高的应用越来越重要。锂硫电池有几个优点，包括更高的能量密度。目前市面上最好的锂离子电池的运行速度约为每公斤300瓦时，理论上最大值约为350瓦时。同时，锂硫电池的理论能量密度约为每千克1000到1500瓦时。

此外，硫磺价格低廉、储量丰富，而且更加环保。锂硫电池还具有不需要含有任何对环境有害的氟元素的优点，这是锂离子电池中常见的氟元素，”Chalmers物理系教授aleksandra matic说，他领导了这篇论文的研究小组。

到目前为止，锂硫电池的问题是它们的不稳定性，以及由此产生的低循环寿命。目前的版本退化很快，寿命有限，循环次数不实用。但是在测试他们的新原型时，Chalmers的研究人员证明了350个周期后85%的容量保持率。

新的设计避免了锂硫电池退化的两个主要问题：一个是硫溶解在电解液中并丢失；另一个是“穿梭效应”，即硫分子从阴极迁移到阳极。在这种设计中，这些不希望出现的问题可以大大减少。

阅读发表在《电源杂志》上的文章，“一种独立的还原石墨烯氧化物气凝胶作为无氟Li2S8阴极锂离子电池的支撑电极”。

商业潜力之旅

然而，研究人员注意到，在这项技术能够充分发挥市场潜力之前，还有很长的路要走。”由于这些电池是以替代大多数普通电池的方式生产的，因此需要开发新的制造工艺，使它们在商业上可行。

关于本研究中使用的Chalmers实验室的更多信息

研究人员在Chalmers材料分析实验室（CMAL）研究了石墨烯气凝胶的结构。CMAL拥有先进的材料研究仪器。该实验室正式隶属于物理系，但对大学、研究所和工业界的所有研究人员开放。本研究采用先进的高分辨率电子显微镜进行实验。

最近，为了进一步推动CMAL在材料研究领域的领先地位，已进行了总计约6600万瑞典克朗的重大投资。

投资包括购买单色和双像差校正（CETCOR图像和Ascor探针CS校正器）TEM Jeolarm（200 kV）40-200，配备有场发射枪（FEG）。这是第一篇用这种全新的显微镜发表的论文，用来研究气凝胶的结构。

这台新显微镜的重量相当于一头成年大象，将于5月15日在查默斯的一个仪式上正式落成。

哥德堡的查尔姆斯理工大学在高国际水平开展技术和自然科学的研究和教育。学校现有员工3100人，在校学生10000人，提供工程、科学、航运和建筑教育。

以科学卓越为基础，Chalmers促进知识和技术解决方案的可持续发展。通过全球承诺和创业精神，我们与更广泛的社会密切合作，培养创新精神。欧盟最大的研究计划——石墨烯旗舰计划——由查尔默斯公司协调。我们也在领导瑞典量子计算机的发展。