采用超導(dǎo)體可提高鋰硫電池性能

新一代鋰硫電池要比現(xiàn)有的鋰離子電池具有更大的單位質(zhì)量密度。由于化學(xué)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜限制了其使用壽命，目前，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加硼化鎂超導(dǎo)體納米顆粒，可對(duì)Li-S正極中的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行控制。

從理論上講，鋰硫電池有很多優(yōu)點(diǎn)：按質(zhì)量計(jì)算，鋰硫電池的能量是傳統(tǒng)鋰離子技術(shù)的5倍左右；硫的儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、重量輕；與其他電極材料相比，可容納大量鋰。但由于硫過(guò)于活潑，鋰硫電池的化學(xué)反應(yīng)比鋰離子電池要復(fù)雜得多。當(dāng)這些電池充放電時(shí)，參與副反應(yīng)的硫形成了多硫化物的混合物，其中的多硫化物溶于電解質(zhì)，由此硫就從正極轉(zhuǎn)移到了負(fù)極。這種遷移意味著留在正極上的硫較少，而正極上的硫恰巧是容納鋰所必須的。這些多硫化物也是電絕緣的，并在負(fù)極表面形成一個(gè)涂層，使其性能下降。由于這些反應(yīng)和遷移，鋰硫電池在效率和耐用性上存在不足，還不能替代鋰離子電池。

到目前為止，對(duì)于鋰硫電池的這些缺陷，化學(xué)家們尚無(wú)完美的應(yīng)對(duì)之策。通常Li-S正極材料最初采用碳和硫混合物。緩解多硫化物問(wèn)題的一個(gè)策略是在混合物中添加固硫材料，讓S元素盡量多地留在正極上。但是，這些材料也會(huì)抑制正極性能，降低其電導(dǎo)率。MgB2作為一種可能的控硫物，幾年前引起了Nazar實(shí)驗(yàn)室的注意。他們希冀MgB2像其他添加物一樣與多硫化物結(jié)合，不降低電池性能也不會(huì)妨礙電子的流動(dòng)。這是因?yàn)樵诘蜏叵滤且环N輕量化的超導(dǎo)體，并且在室溫下具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。

Nazar實(shí)驗(yàn)室的Quanquan Pang利用氣-固反應(yīng)找到了制備MgB2納米顆粒的方法，即采用硼-碳混合物與鎂小球混合后加熱。通過(guò)探索這種材料的化學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)顆粒表面的鎂和硼都能與硫結(jié)合并將其固定。此外，這兩種元素并不會(huì)對(duì)鋰產(chǎn)生任何束縛作用。這很重要，因?yàn)槠渌?硫電極添加劑會(huì)與鋰發(fā)生相互作用或與鋰結(jié)合，從而妨礙了鋰循環(huán)并降低電池效率。MgB2納米粒子的直徑約為100 nm，非常密實(shí)，這意味著電極可以做得相對(duì)緊湊，考慮到這種電池可能應(yīng)用于有空間限制的無(wú)人機(jī)或電動(dòng)汽車(chē)上，這是一個(gè)關(guān)鍵因素。

研究人員又將石墨烯與硫混合作正極，以鋰-金屬作負(fù)極，與電解質(zhì)組成電池，其電流輸出效率比Li-S/C電池提高14%，并可穩(wěn)定地充放電100次。