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查默斯理工大学研究人员利用石墨烯气凝胶或有利于推进锂硫电池的研发

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-05-09  来源:盖世汽车讯  浏览次数:25

 

(图片来源:Yen Strandqvist/瑞典查默斯理工大学)

据外媒报道,为了适应电气化未来的需求,需要研发新型电池技术,其中一个选择就是锂硫电池,与锂离子电池相比,理论上来说,此种电池能量密度要高5倍。最近,瑞典查默斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员在石墨烯海绵(graphene sponge)的帮助下,利用阴极电解液,在此种电池的研发上获得了突破。

研究人员的想法非常新颖,利用一种由还原氧化石墨烯制成的多孔、类似海绵的气凝胶,当作电池的独立电极,从而更好地利用硫、提高利用率。

传统电池由四部分组成,首先,有两个覆盖活性物质的支撑电极,即阳极和阴极;它们之间是电解质,通常是液体,可让离子来回转移;第四个部分是分离器,作为物理屏障,可防止两个电极接触的同时,允许离子转移。

此前,研究人员曾尝试将阴极和电解质结合在一起,成为“阴极电解液”。该概念有助于减轻电池重量,同时使充电速度更快,供电能力更强。现在,由于石墨烯气凝胶得到了发展,该概念被证明有效可行,而且前景很好。

首先,研究人员在一个标准电池盒内注入薄薄的一层多孔石墨烯气凝胶。查默斯理工大学物理系兼本研究的首席研究员Carmen Cavallo表示:“气凝胶是一个长瘦型的圆柱体,将它像切意大利香肠一样切成薄片,然后将薄片挤压放入电池。然后再拿一种含硫丰富的溶液,即阴极电解液,加入到该电池中。多孔气凝胶作为支撑,会像海绵一样吸收该溶液。”

“石墨烯的多孔结构是关键,可吸收大量阴极电解液,得到足够的硫,进而使阴极电解液概念得以实现。此类半液体阴极电解液非常有必要,可以在硫循环的过程中不损失任何硫,由于硫已经溶解在阴极电解液中,因此不会因溶解而损失”。

为了使阴极电解液发挥其电解质的作用,还在分离器中加入了部分阴极电解液,这也最大限度地提高了电池的硫含量。

目前,大多数商用电池都是锂离子电池,但是此种电池的发展已接近极限,为了满足更高的要求,寻找新型化学方法变得更加重要。而锂硫电池具有多个优点,如能量密度更高。目前,市场上最好的锂离子电池的工作效率为300瓦时/千克,理论上说,最大可达350/千克。而理论上来说,锂硫电池的能量密度约为1000至1500瓦时/千克。

查默斯理工大学物理系教授兼此次研究主导人Aleksandar Matic表示:“此外,硫很便宜,储量丰富,而且更加环保。此外,锂离子电池中普遍含有对环境有害的氟,而锂硫电池却没有。”

目前为止,锂硫电池的问题在于不够稳定,导致循环寿命短。但是在查默斯理工大学的研究人员在测试新电池原型时,发现新电池在350次循环后,仍保持85%的容量。

新设计避免了硫锂电池降解过程中的两个主要问题,一个是硫溶解到电解质中而丢失,另一个是硫分子从阴极迁移到阳极的“穿梭效应”。在这个设计中,此类问题的影响都被大大减少了。

但是,研究人员指出,该项技术要完全发挥市场潜力仍还有很长一段路要走。Aleksandar Matic表示:“由于此种电池的生产方式不同于大多数正常电池,因此还需要研发新的生产工艺,以实现该电池的商业化。”

 
 
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