豐田研發(fā)新型納米硫陰極材料 提升鋰電池充放電效率

近日，豐田北美研究所(TRINA)的科研小組開發(fā)出了一種新型鋰電池納米硫陰極材料，這種材料采用了類似于塊菌的結(jié)構(gòu)，其中包括嵌入空心碳納米球體的硫粒子以及密封柔性疊層(LBL)納米膜碳導體。

目前TRINA已經(jīng)在英國皇家化學學會(RSC)《能源與環(huán)境科學》期刊中發(fā)表了論文。在論文中，研究人員指出，新型納米硫陰極材料(65%的最終硫載荷)可以在2C高速率條件下工作(1C對應1小時完整充電或放電)，并可完成超過500個充放電循環(huán)，庫侖效率(即充放電效率)幾乎達到100%。

在整個化學反應過程中，由于疊層納米膜碳導體可以自行組合，因此針對納米硫陰極材料表面特性而形成布局有序的超分子結(jié)構(gòu)會受到極大影響。具備粘合能力且能夠與溶劑發(fā)生反應的任何材料(離子或氫鍵)均可以通過疊層的方式轉(zhuǎn)化為多分子層結(jié)構(gòu)。上述結(jié)果表明，對于其它低導電率電池陰極而言，未來這種新型納米硫陰極材料將成為較為理想的解決方案。

納米硫陰極材料可以帶來高達1672毫安/克的理論容量，這對于下一代電池來說很有吸引力。不過在實際應用中，高電阻、低載荷活性物質(zhì)以及充放電時電解質(zhì)中間聚硫化物分解等問題仍然帶來了不小的挑戰(zhàn)，這些問題會導致庫侖效率下降、電池容量損耗加快，同時也會發(fā)生自放電現(xiàn)象。

此前，很多科研小組一直在探索采用聚合物電解質(zhì)、納米涂層和納米膜來阻止聚硫化物分解，從而提升鋰硫電池的性能。而TRINA研究人員經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn)，盡管基于聚合物的電解質(zhì)可以被用來阻止聚硫化物分解，不過其傳導率相比普通基于液體的電解質(zhì)明顯降低，這也使得實現(xiàn)高效的放電率難上加難。

當在復合材料或納米涂層中使用聚合物后，硫陰極的循環(huán)特性有所改善。此外，聚合物可以為硫陰極提供一個在充電和放電之間自由調(diào)節(jié)容量的彈性框架。與此同時，TRINA科研小組在鋰電池納米硫陰極材料中采用的全新結(jié)構(gòu)也可以抑制中間聚硫化物的分解，減少碳導體生成等問題。