全新鋰硫電池結構登場,以石墨烯與陰極電解質有效提高穩定性

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 03 日 7:45 | 分類 材料、設備 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly

電池組成就像三明治一樣層層疊疊,不同的材料與結構就會有不同的性能表現,最近瑞典查爾摩斯工學院團隊將鋰硫電池煥然一新,不僅加入石墨烯氣凝膠薄片提高效率,更將陰極與電解質部分合二為一,達成提升電池穩定性與降低重量目標。




電池主要由兩個電極,電極之間的電解質與隔離膜組成,離子首先會從陰極出發,經過電解質與隔離膜最後抵達陽極,不過未來電池的結構已不一定是如此。過去曾有研究為了減輕電池重量、提高充放電速度與儲電力,試圖將陰極與電解質合體,開發出「陰極電解質(catholyte)」,而隨著技術進步,現在科學家已初步達成目標。

查爾摩斯工學院團隊首先以鈕扣型鋰硫電池進行實驗。他們先將長條形石墨烯氣凝膠切成一片片的薄膜,之後再調整大小與尺寸放入富含硫的陰極電解質溶液,其中石墨烯氣凝膠薄片具有多孔結構特性,既可當成支架,也可以化身成海綿,吸收大量陰極電解質溶液以提高電池硫負荷(loading)。

團隊指出,陰極電解質設計可以讓鋰硫電池許多難題迎刃而解,過去該電池一直無法突破「硫易溶解到電解質」以及「硫分子會跑到陽極」等超級大缺點,這讓電池的穩定性與壽命雙雙難以提高,但現在查爾摩斯工學院團隊已解決這上述問題,研究員 Carmen Cavallo 表示,由於硫早已溶解在陰極電解質中,因此不用再擔心硫在充放電中消失與被溶解。

目前團隊也成攻打造出新型鋰硫電池原型,穩定性也有大幅提高,在充放電循環 350 次之後,容量仍可維持在 85%,有助於加速鋰硫電池的商業化進展。

鋰硫電池理論重量能量密度是鋰電池的 3-5 倍,高達每公斤 2,700Wh,且還具有電池重量輕、原材料豐富、不需要用到氟等優勢,雖然目前鋰離子電池仍是市場主流,但這並不影響科學家對鋰硫電池的關注與期待,假如未來科學家研發有成,人們將可享用更輕、成本更低與容量更大的電池。

(首圖為石墨烯氣凝膠,來源:查爾摩斯工學院

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