德雷克塞尔大学的研究人员开发了一种硫阴极，它在商业上使用的碳酸盐电解质中发挥作用，可以提高性能最高的电池的容量和寿命。功劳:德雷克塞尔大学美国对电动汽车日益增长的需求揭示了可持续采购电池技术的重大挑战，这是广泛转向可再生电力和摆脱化石燃料所必需的。一组德雷克塞尔大学的化学工程师希望制造出不仅性能优于目前电动汽车使用的电池，而且由容易获得的材料制成的电池，他们找到了一种将硫引入锂离子电池的方法——结果令人震惊。随着电动汽车的全球销量在2021年翻了一番以上，锂、镍、锰和钴等电池材料的价格飙升，这些原材料的供应链(其中大部分来自其他国家)因疫情而陷入瓶颈。这也将注意力集中在原材料的主要提供者:像刚果和中国这样的国家；并提出了从地球上提取它们对人类和环境影响的问题。
在电动汽车激增和电池材料短缺之前，开发一种商业上可行的硫电池一直是电池行业可持续的高性能白鲸。这是因为硫的天然丰度和化学结构使它能够储存更多的能量。德雷克塞尔工程学院的研究人员最近的一项突破，发表在《通信化学》杂志上，提供了一种避开过去压制锂硫电池的障碍的方法，最终将这项受欢迎的技术推向商业领域。
他们的发现是生产和稳定一种稀有硫的新方法，这种硫在碳酸盐电解质中起作用，这种电解质是商业锂离子电池中使用的能量传输液体。这一发展不仅将使硫电池在商业上可行，而且它们的容量将是锂离子电池的三倍，可持续4000次以上的再充电——相当于使用10年——也是一个巨大的进步。
领导这项研究的德雷克塞尔学院化学和生物工程系乔治·b·弗朗西斯(George B. Francis)教授说:“多年来，硫一直非常适合用于电池，因为它富含地球，可以以安全和环保的方式收集，正如我们现在已经证明的那样，它还有潜力以商业上可行的方式提高电动汽车和移动设备中电池的性能。”。
用商业上友好的碳酸盐电解质将硫引入锂电池的挑战是称为多硫化物的中间硫产物和碳酸盐电解质之间的不可逆化学反应。由于这种不良反应，以前在含有碳酸盐电解质溶液的电池中使用硫阴极的尝试导致电池几乎立即关闭，并且仅在一个循环后就完全失效。
锂硫电池已经在使用醚电解质(而不是碳酸盐)的实验环境中表现出了卓越的性能，因为醚不会与多硫化物发生反应。但是这些电池在商业上是不可行的，因为醚电解质具有很高的挥发性，其成分的沸点低至42摄氏度，这意味着电池在室温以上的任何升温都可能导致故障或熔化。
卡拉说:“在过去的十年里，大多数锂硫领域采用醚电解质来避免与碳酸盐的不良反应。“然后，多年来，研究人员通过减轻所谓的多硫化物穿梭/扩散，深入研究提高醚基硫电池的性能——但该领域完全忽视了醚电解质本身是一个问题的事实。在我们的工作中，主要目标是用碳酸盐替代乙醚，但在这样做的同时，我们也消除了多硫化物，这也意味着不需要穿梭，因此电池可以在数千个循环中表现异常出色。”
Kalra团队先前的研究也是以这种方式解决这个问题的——生产一种碳纳米纤维阴极，通过减少中间多硫化物的移动来减缓基于醚的锂硫电池中的穿梭效应。但是为了改善阴极的商业途径，该小组意识到需要用商业上可行的电解质来使它们发挥作用。
德雷克塞尔大学的研究人员创造了一种硫阴极，它不会与碳酸盐电解质发生反应，产生已知会降低电池性能的多硫化物。这一发现可能为高性能锂硫电池的商业可行性铺平道路。信用:德雷克塞尔大学“拥有一个能与他们已经使用的碳酸盐电解质一起工作的阴极是商业制造商阻力最小的途径，”卡拉说。“因此，我们的目标不是推动行业采用新的电解质，而是制造一种可以在现有锂离子电解质系统中工作的阴极。”
因此，为了消除多硫化物的形成以避免不良反应，该团队试图使用气相沉积技术将硫限制在碳纳米纤维阴极基底中。虽然这个过程没有成功地将硫嵌入纳米纤维网，但它做了一些非同寻常的事情，当团队开始测试阴极时，这一点就暴露出来了。
“当我们开始测试时，它开始漂亮地运行——这是我们没有预料到的。事实上，我们一遍又一遍地测试——超过100次——以确保我们真的看到了我们认为看到的东西，”卡拉说。“硫阴极，我们怀疑它会导致反应停止，实际上表现令人惊讶地好，它一次又一次地这样做，而不会导致穿梭。”
经过进一步调查，研究小组发现，在碳纳米纤维表面沉积硫的过程中——从气体变成固体——它以一种意想不到的方式结晶，形成了这种元素的轻微变化，称为单斜γ相硫。这种不与碳酸盐电解质反应的硫的化学相，以前只在实验室高温下产生，并且只在油井的极端环境中在自然界中观察到。
该研究的合著者、化学与生物工程系博士生拉胡尔·派(Rahul Pai)说:“起初，很难相信这是我们正在检测的，因为在之前的所有研究中，单斜晶系硫在95摄氏度以下都是不稳定的。“在上个世纪，只有少数研究产生单斜γ硫，而且最多只能稳定20-30分钟。但我们在一个经历了数千次充放电循环的阴极上创造了它，性能没有下降——一年后，我们对它的检查表明，化学相保持不变。”
经过一年多的测试，硫阴极保持稳定，正如该团队报告的那样，其性能在4000次充放电循环中没有下降，相当于正常使用10年。而且，正如预测的那样，电池的容量是锂离子电池的三倍多。
卡拉说:“虽然我们仍在努力理解这种稳定的单斜硫在室温下产生的确切机制，但这仍然是一个令人兴奋的发现，可能会为开发更可持续和负担得起的电池技术打开许多大门。
用硫电池代替锂离子电池的阴极将减少对钴、镍和锰的需求。这些原材料的供应有限，不容易提取，不会对健康和环境造成危害。另一方面，硫在世界各地都存在，并且在美国大量存在，因为它是石油生产的废物。
卡拉认为，拥有一个稳定的硫阴极，在碳酸盐电解质中发挥作用，也将使研究人员能够进一步研究锂阳极的替代品——这可能包括更多富含地球的选项，如钠。
卡拉说:“摆脱对锂和其他昂贵且难以从地球上提取的材料的依赖，是发展电池和扩大我们使用可再生能源能力的重要一步。"开发一种可行的锂硫电池开辟了许多替代这些材料的途径."
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