锂硫电池在为未来的电动汽车供电方面具有巨大潜力存款照片

随着电动汽车的不断普及，科学家们看到了锂硫电池作为一种更环保的动力方式的巨大潜力。这是因为它们不依赖同样昂贵且难以获取的原材料，例如钴，但与它们的稳定性相关的其他问题迄今为止阻碍了该技术。德雷克塞尔大学的工程师取得了突破，他们称这些电池更接近商业用途，通过利用硫的稀有化学相来防止破坏性化学反应。

锂硫电池在储能方面有很大的前景，这不仅仅是因为硫含量丰富，而且与当今电池中使用的钴、锰和镍相比，硫的来源问题更少。它们也可能提供一些显着的性能提升，有可能存储数倍于当今锂离子电池的能量。但是科学家们一直遇到一个问题，那就是形成称为多硫化物的化合物。

随着电池的运行，它们会进入电解质——在阳极和阴极之间来回传输电荷的溶液——在那里它们会引发化学反应，从而影响电池的容量和使用寿命。科学家们已经成功地将碳酸盐电解质换成醚电解质，它不会与多硫化物发生反应。但这带来了其他问题，因为醚电解质本身具有高度挥发性并且含有低沸点的成分，这意味着如果加热到室温以上，电池可能会迅速失效或熔化。

德雷克塞尔大学的化学工程师一直在研究另一种解决方案，它从设计一种新的阴极开始，它可以与已经投入商业使用的碳酸盐电解质一起工作。这种阴极由碳纳米纤维制成，已被证明可以减缓多硫化物在醚电解质中的移动。但是让它与碳酸盐电解质一起工作需要一些实验。

近距离观察德雷克塞尔大学开发的碳纳米纤维阴极德雷克塞尔大学

首席研究员 Vibha Kalra 说：“对于商业制造商来说，拥有一个与他们已经在使用的碳酸盐电解质一起工作的阴极是阻力最小的途径。” “因此，我们的目标不是推动行业采用新的电解质，而是制造一种可以在现有的锂离子电解质系统中工作的阴极。”

科学家们试图使用一种称为蒸汽处理的技术将硫限制在碳纳米纤维网中，以防止危险的化学反应。这并没有达到预期的效果，但事实证明，实际上以一种意想不到的方式结晶了硫，并将其变成了一种叫做单斜伽马相硫的东西，这是一种元素的略微改变的形式。这种硫的化学相只能在实验室的高温下产生或在自然界的油井中观察到。对科学家来说，方便的是，它不与碳酸盐电解质反应，从而消除了形成多硫化物的风险。

“起初，很难相信这是我们所检测到的，因为在之前的所有研究中，单斜晶硫在 95 °C (203 °F) 下一直不稳定，”该研究的合著者 Rahul Pai 说。“在上个世纪，只有少数研究产生了单斜伽马硫，并且最多只能稳定 20-30 分钟。但我们在阴极中创造了它，该阴极经历了数千次充放电循环而性能没有下降——一年后，我们对它的检查表明化学相保持不变。”

科学家们在新型阴极中稳定了一种稀有形式的硫，为新型高容量电池铺平了道路德雷克塞尔大学

阴极在一年的测试和 4,000 次充放电循环中保持稳定，科学家们说这相当于 10 年的正常使用。该团队制造的具有这种阴极的原型电池的容量是标准锂离子电池的三倍，为更环保的电池铺平了道路，使电动汽车每次充电后行驶得更远。

“虽然我们仍在努力了解在室温下产生这种稳定的单斜晶硫的确切机制，但这仍然是一个令人兴奋的发现，并且可以为开发更可持续和负担得起的电池技术打开许多大门，”Kalra 说。

该研究发表在《通信化学》杂志上。

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