硫基聚合物助力續(xù)航時間長、電容大的電池

譯海擷英

硫基聚合物助力續(xù)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(yè)化之路上存在很大的現(xiàn)實障礙。最近，研究人員證明，硫基聚合物可能是質(zhì)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?！颁囯姵乜梢猿掷m(xù)充放電1 000多次，而鋰硫電池充放電循環(huán)還不到100次其壽命就到了盡頭?！眮喞Ｄ侵萘⒋髮W(xué)化學(xué)家Jeffrey Pyun如是說。鋰硫電池中，硫元素在負(fù)極與電解質(zhì)中的鋰離子發(fā)生反應(yīng)，生成鋰硫鹽并最終沉積在電極上。這些副反應(yīng)消耗負(fù)極的硫，從而降低了電池的存儲容量并造成了電池的結(jié)構(gòu)問題。

據(jù)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(rèn)為像其他塑料制品一樣，利用硫基聚合物制備電極材料應(yīng)該成本低廉且易于大規(guī)模生產(chǎn)，原因是原料來源豐富：硫元素的產(chǎn)量為6 000萬t/a，大部分是石油煉制過程中的副產(chǎn)品，且硫元素的消耗量很少。

2013年，Pyun領(lǐng)導(dǎo)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(yīng)，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(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)方法。性能表現(xiàn)最好的共聚物包含90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硫。以該共聚物為負(fù)極的電池，初始電容為1 225（mA·h）/g。經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，電容降至1 005（mA·h）/g；500次充放電循環(huán)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(nèi)電容基本保持穩(wěn)定。

要成為一種商業(yè)產(chǎn)品，由硫基聚合物制備的電池必須在生命周期內(nèi)擁有穩(wěn)定的電容，而且能夠持續(xù)充放電1 000次以上。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，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?！斑@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(fù)極材料?！钡驴怂_斯州A&M大學(xué)的化學(xué)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(fā)現(xiàn)除較高的電容外，聚合物還呈現(xiàn)出其他的優(yōu)異性能。聚合物電池的發(fā)展趨勢是價廉、質(zhì)輕，并且可作為便攜式電子產(chǎn)品靈活的儲能設(shè)備。此外，聚合物電池甚至可以用作擁有雙重功能的結(jié)構(gòu)材料，例如，能夠儲存能量的飛機機翼或汽車車門。