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固态锂硫电池商业化进程加速

2024年4月1日
  • 编辑:Betty
  • 中国半导体出海网

固态锂硫电池以其卓越的性能和巨大的潜力,正逐渐成为新能源领域的研究热点,这种电池通过使用固态电解质代替传统的液态有机电解液,不仅显著提高了锂硫电池的稳定性和安全性,还增强了其机械模量。锂硫电池应用广泛,但受技术、材料等的限制,锂硫电池的实用性较低。近日,由加州大学圣地亚哥分校的工程师领导的团队开发了一种固态锂硫电池的新型正极材料,这种新型材料具有高导电性并且可修复,克服了锂硫电池印迹的局限性。固态锂硫电池是一种可充电电池,由固体电解质、由锂金属制成的阳极和由硫制成的阴极组成,固态锂硫电池因其更高的密度能量和更低的成本,将来极有可能成为当前锂硫离子电池的优质替代品,并且其每公斤存储的能量是传统锂离子电池的两倍。此外,固态锂硫电池使用的材料价格比传统锂离子电池更低也更环保。然而,锂硫固态电池在发展过程中一直面临着硫正极本身特性所带来的挑战。首先,硫作为一种电子导体的性能并不理想,这限制了其在电池中的电子传输效率。其次,硫正极在电池充放电循环中会发生明显的体积膨胀和收缩,这种体积变化会导致正极结构的损伤,并减少其与固体电解质之间的接触面积。这两个问题相互作用,共同降低了阴极的电荷传输能力,进而影响了固态电池的整体性能和使用寿命。为了解决这些问题,该团队研发了新的阴极材料:由硫和碘组成的晶体。通过将碘分子插入到晶体硫结构中,研究人员将极阴材料的电导率大幅度提高了11个数量级,使其电导率比单独由硫制成的晶体高出1000亿倍。此外,这种新的晶体材料具有65℃(149℉)的低熔点,这一数值比一杯热咖啡的温度还低。这一特性意味着电池经过充电后,其极阴材料可以较容易地重新融化。这一点对于修复在充放电循环过程中可能出现的界面损伤至关重要,通过这种方式,可以有效应对在固态电池充放电过程中的损伤问题。业内人士对此评价道:“这种碘化硫阴极提出独特的概念可以解决锂硫电池商业化的一些主要障碍。”

图一: 新型极阴材料  (图片来源:加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院)

为验证新型阴极材料的有效性,研究人员对一块测试电池进行反复的充电和放电循环,该电池在400多个循环中保持稳定,同时保留了87%的容量。这一发现有潜力显著提升固态锂硫电池的使用寿命,从而应对这种电池面临的主要挑战之一。他提到,电池能够通过简单的温度提升实现自我修复,这一能力将极大地延长电池的整体使用周期。

换句话说,通过这种自我修复机制,固态电池在经历反复的充放电过程后,能够维持更为持久的性能表现。这种特性为固态电池走向实际应用开辟了可能的道路,使得电池技术向前迈进了一大步。这种创新的自我修复能力,不仅提高了电池的可靠性和效率,也为固态电池的商业化和广泛应用奠定了坚实的基础。