2014年，空中客車公司的“西風(fēng)7”無人機(jī)依靠鋰—硫電池不間斷地飛行了11天/圖 來源：AIRBUS
請(qǐng)接招，特斯拉。位于英國(guó)阿賓頓的初創(chuàng)公司——Oxis能源公司的研究人員正在利用鋰和硫的組合制造電池。和目前用于電動(dòng)汽車的鋰離子電池相比，最新研發(fā)的電池每公斤可儲(chǔ)存近兩倍的能量。不過，它們持續(xù)的時(shí)間不是很長(zhǎng)，在約100次充放電循環(huán)后便會(huì)失靈。但該公司認(rèn)為，對(duì)于諸如無人機(jī)、潛水艇、士兵背負(fù)的電源包等用途來說，重量比價(jià)格或者壽命更加重要。Oxis的小型試驗(yàn)工廠以年產(chǎn)1萬~2萬節(jié)電池為目標(biāo)。這些電池會(huì)被封裝在手機(jī)大小的薄袋子中。
這還算不上超級(jí)工廠，至少目前不是。但Oxis首席技術(shù)官David Ainsworth表示，該公司盯上的是一塊更大的“蛋糕”：1000億美元的電動(dòng)汽車市場(chǎng)。“未來幾年會(huì)非常關(guān)鍵。”Ainsworth說，他和其他人視鋰—硫電池為鋰離子電池的“繼承者”并將成為占主導(dǎo)地位的電池技術(shù)。
他們受到了一連串最新報(bào)告的鼓舞。報(bào)告稱，此項(xiàng)技術(shù)面臨的很多性能和耐用性上的挑戰(zhàn)都可以被克服。“你會(huì)看到很多方面正在取得進(jìn)展。”美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Brett Helms表示。不過，諸如加拿大滑鐵盧大學(xué)化學(xué)家、鋰—硫電池先驅(qū)Linda Nazar等人持謹(jǐn)慎態(tài)度。她認(rèn)為，創(chuàng)建既擁有高容量又廉價(jià)、輕便、小巧、安全的鋰—硫電池“真的是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)”。改善一個(gè)因素通常以犧牲其他因素為代價(jià)。“你不可能同時(shí)優(yōu)化所有因素。”Nazar表示。
鋰離子電池包含兩個(gè)電極——陰極和陽極。兩者由使鋰離子在充電周期來回移動(dòng)的液體電介質(zhì)分開。在陽極，鋰原子被夾在具有高導(dǎo)電性的碳——石墨層中間。當(dāng)電池放電時(shí)，鋰原子放棄電子并且產(chǎn)生電流。由此獲得的帶正電荷的鋰離子移動(dòng)到電解液中。在為從手機(jī)到特斯拉汽車的諸多設(shè)備提供動(dòng)力后，電子最終回到通常由不同金屬氧化物混合而成的陰極。在那里，電解液中的正極鋰離子“依偎”在已經(jīng)吸收了穿行電子的金屬原子附近。充電逆轉(zhuǎn)了這種分子模式，因?yàn)橥饧与妷簳?huì)推動(dòng)鋰離子擺脫它們的金屬宿主并且回到陽極。
金屬氧化物陰極是可靠的，但這些通常是鈷、鎳和錳結(jié)合物的金屬很昂貴。同時(shí)，由于需要兩個(gè)金屬原子“攜手”才能固定單個(gè)電子，因此這些陰極很重。而這將電池的性能限制在約200瓦時(shí)/公斤（Wh/kg）。硫要便宜很多，并且每個(gè)硫原子能固定兩個(gè)電子。理論上，擁有硫陰極的電池能儲(chǔ)存500 Wh/kg或者更多。
不過，硫并非電極的理想材料。首先，它是絕緣的：無法將電子傳遞給從陽極上穿越的鋰離子。2009年，一件影響大局的事情發(fā)生了：由Nazar領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，硫可以被嵌入和陽極一樣由導(dǎo)電碳構(gòu)成的陰極。雖然這種方法行得通，但帶來了其他問題。像石墨一樣的碳形式具有高孔隙度。這增加了電池的整體尺寸，但儲(chǔ)存性能并沒有增強(qiáng)。這意味著需要更多昂貴的液體電介質(zhì)填充這些孔隙。更嚴(yán)重的是，當(dāng)鋰離子同硫原子在陰極結(jié)合時(shí)，它們會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成被稱為聚硫化物的可溶分子。這些分子會(huì)漂走，從而使陰極發(fā)生降解并且限制充電周期的數(shù)量。聚硫化物還會(huì)遷移到陽極。在那里，它們會(huì)造成進(jìn)一步的破壞。
如今，各個(gè)方面都在獲得突破。3個(gè)小組在解決陰極出現(xiàn)的問題上取得進(jìn)步。例如，去年，由Helms領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《自然—通訊》雜志上報(bào)告稱，他們向碳—硫陰極添加了聚合物層，從而將聚硫化物封裝并且使電池在100個(gè)充電周期后仍能繼續(xù)使用。由得克薩斯大學(xué)研究人員Arumugam Manthiram領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)用僅有單原子厚度的高導(dǎo)電性薄片石墨替代陰極中的石墨。正如他們?cè)诮衲?月12日出版的《美國(guó)化學(xué)會(huì)能源快報(bào)》上所報(bào)告的，新的石墨陰極持有的硫是傳統(tǒng)石墨陰極的5倍，因此極大地提高了能量?jī)?chǔ)存。最近，由中國(guó)廈門大學(xué)化學(xué)家Nanfeng Zheng領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在《焦耳》雜志上報(bào)告稱，他們通過在氮摻雜碳粒子上放置薄片聚丙烯，創(chuàng)建了超薄“分離器”。其位于陰極上面，能“捕獲”聚硫化物，并將其轉(zhuǎn)化成無害的鋰—硫粒子。這增加了電池的能量輸出，并且?guī)椭鼈冊(cè)?00次充電周期后仍能被繼續(xù)使用。
阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源儲(chǔ)存研究聯(lián)合中心主任George Crabtree 表示，所有這些進(jìn)展將有助于推動(dòng)鋰—硫電池的進(jìn)一步發(fā)展。“很難說這些是否是將獲得成功的最終突破，但我很樂觀。” Crabtree說。
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