研究人員開發出新型超高容量鋰硫電池

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯、EEWeb主編

澳洲研究人員研發出一種新型鋰硫電池,容量是鋰離子電池的5倍,對環境影響更小,可望推動極低價格電動車及大規模市電儲存的發展…

澳洲蒙納許大學(Monash University)的研究人員研發出一種新型鋰硫電池(lithium-sulfur,Li-S),其能效遠高於目前的鋰離子電池。

這種新電池的容量是鋰離子電池的5倍,對環境影響更小,這可能推動極低價格電動車及大規模市電儲存的發展。這種採用鋰和硫的電池能夠在200多次充放電中保持99%的效率,如果用於智慧型手機供電,則能夠使其連續工作5天。

新電池由澳洲墨爾本蒙納許大學機械工程和航空航太系的研究人員Mahdokht Shaibani及同事開發。

研究人員為相關的製造製程申請了專利(PCT/AU 2019/051239),原型電池並已由其德國合作者——包括德國Fraunhofer材料和光束技術研究所(Institute for Material and Beam Technology)成功製造出來。

科學家們相信,這項技術發展可能改變手機、汽車、電腦和太陽能網路的未來生產方式。這項研究發表在《Science Advances》期刊上。

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蒙納許大學副教授Matthew Hill、Mahdokht Shaibani博士以及Mainak Majumder教授。
(來源:Monash University)

研究小組成員包括Shaibani,以及她在蒙納許大學的團隊,還有來自澳洲聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)、列日大學(University of Liège)、Fraunhofer以及Beam Technology。

該研究論文作者之一、同時也是蒙納許大學教授Mainak Majumder說:「鋰硫電池的設計與實現可能徹底改變汽車市場。」

人們一直在尋找壽命更長、續航更久的電池解決方案。研究人員也一直在研究如何使電池充更多電、工作更長時間。

目前鋰硫電池的弱點在於硫電極的儲電容量太大,以至於電池在正常充放電時會破裂,因為硫電極在充放電過程中會不斷膨脹和收縮,電極的體積變化率高達78%。

當硫電極充電至所需程度(5~10mg/cm2 )時,由於嵌鋰/脫鋰量的顯著變化並因此產生應力,其高能量性能迅速衰減。研究人員在化學層面為硫顆粒提供了更大的空間,他們使用更少量的聚合材料將硫顆粒保持在電極中,從而使硫顆粒之間的間距更大。研究人員使用與鋰離子電池相同的材料,改進了硫的陰極設計,使其可承受更高應力負載而不會降低整體容量或性能。

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研究人員展示鋰硫電池原型顯示該技術的可行性,但距離商業化還需要幾年的時間。
(來源:Monash University)

由於硫是一種貯量豐富且價格低廉的化學物質,因此鋰硫電池的出現可以大大降低電池成本。當然,與鋰離子電池一樣,鋰硫電池的生產同樣可能出現道德問題。對電動車來說,其主要問題與電池生產所需的原材料提取過程有關。許多研究都專注於開發對環境影響較小且較便宜的材料,例如硫。

科學家稱,到2050年,上路行駛的電動車總量將達到9.65億輛,電池儲存容量將增至12,380GWh,而太陽光電系統的儲存容量將超過7,100GW。未來幾年對金屬的需求將大大增加。

未來幾年,無論是運輸方面還是電力方面,電池都是歐洲能源供應系統脫碳的關鍵技術之一。硫是石油處理產生的廢棄物質,因此很容易找到且價格很便宜。不久的將來,我們需要可靠、安全、續航更久且用得起的新一代高性能電池。

在電氣和熱力系統完全脫碳的過程中,儲能系統將發揮越來越重要的作用。將石化燃料轉化為可再生能源也需要先進的儲能技術,例如儲能系統和電池。

與傳統的鋰離子電池相比,新的儲能技術使用了硫,因此更廉價、超載承受力更強、毒性更低、重量也更輕。

充分利用鋰硫電池的電化學反應優點,可能會促進各個應用領域的發展。還有其他研究人員發現,將硫碳儲能單元包裹在薄薄的軟性石墨烯片中可加速電子和離子的傳輸,改善了性能和電導率,從而獲得更長的電池壽命、更好的循環穩定性和更高的效率。

(參考原文:A new lithium-sulfur battery with an ultra-high capacity,by Maurizio Di Paolo Emilio)

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