硫基聚合物助力續航時間長、電容大的電池

譯海擷英

硫基聚合物助力續航時間長、電容大的電池

鋰硫電池的蓄電量是目前最好的鋰離子電池的4～5倍，但是在鋰硫電池的商業化之路上存在很大的現實障礙。最近，研究人員證明，硫基聚合物可能是質輕、價廉、電容大的電池的有效解決方案。鋰硫電池實用性不夠強是因為其壽命較短。“鋰電池可以持續充放電1 000多次，而鋰硫電池充放電循環還不到100次其壽命就到了盡頭。”亞利桑那州立大學化學家Jeffrey Pyun如是說。鋰硫電池中，硫元素在負極與電解質中的鋰離子發生反應，生成鋰硫鹽并最終沉積在電極上。這些副反應消耗負極的硫，從而降低了電池的存儲容量并造成了電池的結構問題。

據Pyun介紹，幾個研究小組利用納米材料捕獲金屬元素以防止它從陰極消失，從而延長了鋰硫電池的壽命，但不幸的是這些電極材料價格過于昂貴。他認為像其他塑料制品一樣，利用硫基聚合物制備電極材料應該成本低廉且易于大規模生產，原因是原料來源豐富：硫元素的產量為6 000萬t/a，大部分是石油煉制過程中的副產品，且硫元素的消耗量很少。

2013年，Pyun領導的研究小組報道了一種方法，利用硫元素制備廉價的陰極材料。將硫加熱到185℃，向其中加入有機化合物1,3-二(1-甲基乙烯基)苯，合成了混亂排列的串狀硫原子與1,3-二（1-甲基乙烯基）苯的共聚物。聚合物中的有機物部分不儲存能量或參與電池中的反應，確切地說，有機物扮演增塑劑的角色，保持鋰硫鹽類活性混合，而不是不受控制地沉積在電極上。在最近的新研究中，Pyun團隊希望找到最佳的陰極材料配方并制成電池進行測試。研究人員在硬幣型電池中測試了2 032種共聚物，這些共聚物各有不同含量的硫元素。硬幣型電池類似于手表用電池，該測試方法是研究人員測試新電池設計的標準方法。性能表現最好的共聚物包含90%（質量分數）的硫。以該共聚物為負極的電池，初始電容為1 225（mA·h）/g。經過100次充放電循環后，電容降至1 005（mA·h）/g；500次充放電循環后，電容降至635（mA·h）/g。相比較而言，鋰電池的初始電容為200（mA·h）/g，并且在其壽命有效期內電容基本保持穩定。

要成為一種商業產品，由硫基聚合物制備的電池必須在生命周期內擁有穩定的電容，而且能夠持續充放電1 000次以上。為實現這一目標，Pyun正在尋找其他種類的硫基共聚物，以期找到具有更好性能的共聚物。“這表明，硫基聚合物是一種具有競爭力的材料，尤其是用作鋰硫電池的負極材料。”德克薩斯州A&M大學的化學工程師Jodie L.Lutkenhaus對此評價道。Lutkenhaus同樣正在研究聚合物電池材料，并且發現除較高的電容外，聚合物還呈現出其他的優異性能。聚合物電池的發展趨勢是價廉、質輕，并且可作為便攜式電子產品靈活的儲能設備。此外，聚合物電池甚至可以用作擁有雙重功能的結構材料，例如，能夠儲存能量的飛機機翼或汽車車門。