碳納米管涂層提升電池性能

譯海擷英

碳納米管涂層提升電池性能

理論上，以硫為負極的鋰離子電池比目前銷售的可充電電池可存儲更多的能量，這意味著電動汽車和移動設備兩次充電的時間間隔可相應延長。最近，德克薩斯州的研究人員表明，向電池的某個元件增加一層碳納米管，取得的能效可與鋰-硫電池相媲美。

與當今最好的商業電池相比，鋰-硫電池可儲存5倍于其的能量。當鋰離子電池充放電時，鋰離子在兩個電極之間移動并通過外部環路產生電流。電池負極容納的鋰離子越多，電池能夠存儲的能量就越多。鋰-硫電池能存儲較多的能量是由于其硫負極能夠收納并釋放大量的鋰離子。然而，這意味著電池負極的容量波動了80%，這可能造成電池短路并危及安全。更重要的是，在電池的整個壽命過程中，鋰離子在負極與硫反應形成多硫化合物。這些化合物通過電解質移動到陽極，將硫從負極帶走，迅速耗盡電池的能量存儲能力。

德克薩斯大學奧斯汀分校德克薩斯材料研究所的化學家Arumugam Manthiram采取了不同的方法：在電池負極和隔膜（作用是阻止電子穿過而允許離子在正負極之間自由通過）間增加了一層碳材料。碳薄膜導電、有彈性并且很牢固，可以阻止多硫化合物的形成。Manthiram的研究小組第一次試圖在負極和隔膜之間加入一張碳復寫紙，但卻增加了電池的重量。為了使電池盡量輕便小巧，研究人員決定在常規電池隔膜上噴涂一層市售多層碳納米管薄膜。

他們將碳納米管懸浮于乙醇溶液中并通過真空過濾將碳納米管牽引到隔膜的表面，利用干燥后的隔膜制備小型電池用于實驗室測試。研究人員通常將碳與絕緣體——硫混合來增加陰極的導電性，但此舉會降低電池的存儲容量。由于碳納米管的導電性很強，研究人員可以在電池中使用約為其總重量65%的硫。高含量的硫使電池的放電量達1324（m·Ah）/g，接近于鋰-硫電池的理論存儲容量。重要的是，電池的存儲容量不會隨著時間的推移而衰減。Manthiram指出：“對實驗室電池來講，我們制備的電池性能相當不錯，而且涂層工藝成本較低，易于實施。”該鋰-硫電池只通過了300次充放電循環測試，真正商用電池需通過幾千次的充放電循環。

同樣研究鋰-硫電池的亞利桑那州立大學化學家Jeffrey Pyun對此評價道：“這是一項基于工藝、有趣的處理方法，可以改善鋰-硫電池的性能而不需要合成用作電極或電解質的新材料。”此外，他還強調必須考慮碳納米管的成本。Manthiram認為如果使用碳納米管這一特殊材料，可能會產生成本問題，但是應該有可能找到一種成本低廉的碳材料來制備碳膜涂層。