理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合：建立一種新型聚合物鋰硫電池

【概要】研究人員發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的鋰硫電池相比，經(jīng)過(guò)100次以上的充電循環(huán)后，新型鋰硫電池的容量尚能提高一倍。

【圖注】此圖展示鋰硫電池單元循環(huán)過(guò)程中復(fù)雜離子簇的形成。這些離子簇由陽(yáng)離子聚合物粘合劑，電池電解質(zhì)和陰離子硫活性材料組成。

鋰硫電池是替代電動(dòng)汽車中普通鋰離子電池極具前景的候選者，因?yàn)樗鼈兏阋?，重量更輕，并且可以為相同質(zhì)量條件下儲(chǔ)存近兩倍的能量。但是，隨著時(shí)間的推移，鋰硫電池變得不穩(wěn)定，電極變差，限制了其廣泛采用。

近期，由美國(guó)能源部 Lawrence Berkeley 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)鋰硫電池相比，新型鋰硫電池組件的容量翻倍，并在高電流密度下的充電周期超過(guò)100次，這是電動(dòng)汽車（EV）和航空領(lǐng)域采用的關(guān)鍵性能指標(biāo)。他們通過(guò)設(shè)計(jì)一種新聚合物粘結(jié)劑來(lái)積極調(diào)節(jié)鋰硫電池中的關(guān)鍵離子傳輸過(guò)程，并展示了它在分子水平上如何發(fā)揮作用。

Lawrence Berkeley 實(shí)驗(yàn)室分子鑄造研究所的科學(xué)家Brett Helms說(shuō)：“新聚合物就像一面墻。硫磺負(fù)載在碳主體的孔隙中，然后由聚合物密封，由于硫磺參與電池的化學(xué)反應(yīng)，聚合物阻止帶負(fù)電荷硫化合物游離出去，進(jìn)而產(chǎn)生了下一代電動(dòng)汽車”。

當(dāng)鋰硫電池儲(chǔ)存和釋放能量時(shí)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生可移動(dòng)的硫分子，與電極斷開連接，導(dǎo)致分解并最終降低電池的容量。為了使這些電池更加穩(wěn)定，研究人員一直努力開發(fā)用于電極的保護(hù)涂層，并且開發(fā)新的聚合物粘合劑將電池組件粘合在一起。這些傳統(tǒng)粘合劑旨在控制或減輕電極的膨脹和開裂，新的粘合劑則更進(jìn)一步。來(lái)自 Lawrence Berkeley 實(shí)驗(yàn)室分子鑄造研究中心的研究人員設(shè)計(jì)了一種聚合物，通過(guò)選擇性地結(jié)合硫分子，將硫保持在靠近電極的位置，抵消其遷移的傾向。

下一步是了解在充電和放電過(guò)程中以及在不同充電狀態(tài)下可能發(fā)生的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化，指導(dǎo)鑄造理論設(shè)施的David Prendergast和理論設(shè)施項(xiàng)目的科學(xué)家Tod Pascal建立了一個(gè)模擬測(cè)試聚合物行為的假設(shè)。Prendergast說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以可靠而高效地對(duì)這些粘合劑中的硫化學(xué)進(jìn)行建模，基于從溶解的含硫產(chǎn)品詳細(xì)量子力學(xué)模擬。

他們?cè)?Lawrence Berkeley 實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的超級(jí)計(jì)算資源上進(jìn)行的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬證實(shí)，該聚合物具有結(jié)合移動(dòng)硫分子的親和力，并且還預(yù)測(cè)該聚合物可用于在電池的不同充電狀態(tài)下結(jié)合不同的硫物質(zhì)。利用 Lawrence Berkeley 實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些預(yù)測(cè)。

研究小組進(jìn)一步研究了新型聚合物粘合劑制備的鋰硫電池的性能。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，他們能夠分析和量化聚合物如何影響硫陰極中的化學(xué)反應(yīng)速率，這是實(shí)現(xiàn)這些電池的高電流密度和高功率的關(guān)鍵。通過(guò)長(zhǎng)期循環(huán)使電池的電容量增加近一倍，新型聚合物提高了鋰硫電池的容量和功率。美國(guó)能源部能源儲(chǔ)存研究聯(lián)合中心（JCESR）對(duì)新型聚合物的合成，理論和特性的綜合理解使其成為原型鋰硫電池的關(guān)鍵組成部分。