近日，西交利物浦大學(xué)科研人員一項(xiàng)關(guān)于提升鋰硫電池性能的研究獲得突破，通過使用低成本的原材料，成功合成了具有高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料，為硫元素在未來能夠應(yīng)用于商業(yè)開辟了前景。

這項(xiàng)研究由電氣與電子工程系博士生耿顯葳在指導(dǎo)老師化學(xué)系楊莉博士指導(dǎo)下完成。

“在電池研究領(lǐng)域，針對(duì)鋰離子和石墨烯的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)于新型材料的研究才剛剛開始。我們?nèi)粘Ｋ褂玫降囊恍╇娮赢a(chǎn)品，以及最近越來越受到重視的新能源汽車，電池的生產(chǎn)大部分會(huì)以金屬類化合物(如鈷酸鋰)為主，這些金屬類化合物材料進(jìn)行脫嵌鋰作用，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能?！?/p>

“鋰硫電池通過氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充放電，我們的研究希望能探索鋰硫電池的性能，以及找到優(yōu)化它性能的方式?！?/p>

（在手套箱里裝配電池）

耿顯葳表示鋰硫電池比傳統(tǒng)使用的鋰離子電池?fù)碛懈嗟膬?yōu)點(diǎn)。因?yàn)榱蛟卦诖笞匀恢袕V泛存在，對(duì)于開采和提取的過程，成本比較低。最重要的是它擁有較高的理論容量和容量密度。

“理論容量是指在化學(xué)反應(yīng)過程中，通過計(jì)算它所生成的一些物質(zhì)，得到的一個(gè)容量數(shù)值。能量密度代表的是對(duì)外傳輸，它和理論容量互相依賴，當(dāng)理論容量數(shù)值高的時(shí)候，能量密度也同樣很高?！惫@葳解釋說。

“如果我們只看材料本身，在不計(jì)算外包裝和電池殼的前提下，把一克的金屬類化合物材料和一克的硫進(jìn)行比較，理想情況下硫的存儲(chǔ)電量能夠比金屬類化合物材料高出七到八倍。”

“用一個(gè)最貼近生活的例子來解釋存儲(chǔ)電量，現(xiàn)在大家的手機(jī)可能平均每天沖一次電，但如果能完全利用好鋰硫電池的能量，也許手機(jī)的電量能夠讓人們持續(xù)使用5天的時(shí)間，對(duì)于一些有外出活動(dòng)，或者有工作需求的人來說提供了一種更加便捷的方式?！?/p>

在這一研究中，耿顯葳和其他小組成員對(duì)于解決鋰硫電池導(dǎo)電和快速充放電的挑戰(zhàn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。

（裝好的電池在測(cè)試柜上測(cè)試循環(huán)性能）

“我們遇到的首要困難就是硫不導(dǎo)電，導(dǎo)致硫的利用率較低，另一個(gè)困難是嘗試解決鋰硫電池容量衰減快，循環(huán)使用性能較差的問題?！?/p>

“硫元素的缺點(diǎn)很明顯，是一個(gè)不導(dǎo)電的物質(zhì)，所以研究的大方向主要集中在以硫主導(dǎo)的材料設(shè)計(jì)。我們最后選擇用一些含有碳元素的材料例如MXene碳化鈦，碳納米籠等，和硫元素復(fù)合在一起，來提升硫的導(dǎo)電性?！?/p>

耿顯葳解釋說因?yàn)樘嫉膽?yīng)用廣泛，材料的可獲得性比較高，選擇碳基材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也考慮到了對(duì)于碳基材料使用的案例也很多，能夠給大家提供一些參考。

指導(dǎo)老師化學(xué)系楊莉博士對(duì)耿顯葳在課題研究過程中展現(xiàn)出的學(xué)術(shù)能力和項(xiàng)目管理能力稱贊有加。

對(duì)該課題的意義，她補(bǔ)充說：“現(xiàn)在國(guó)家對(duì)于新能源的市場(chǎng)支持力度在不斷的加大，大眾的接受度也在逐步提升，我們的這項(xiàng)研究雖然比較基礎(chǔ)，但對(duì)于鋰硫電池性能提升的機(jī)制，進(jìn)行了更加深入的理解和研究，對(duì)于推進(jìn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用能起到一定的指導(dǎo)作用?！?/p>

這項(xiàng)研究已經(jīng)申請(qǐng)了國(guó)家專利，發(fā)表在國(guó)際知名雜志，希望能通過后續(xù)實(shí)驗(yàn)，不斷優(yōu)化材料，以實(shí)現(xiàn)鋰硫電池高性能的目標(biāo)，最終將研究成果運(yùn)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。（記者：王璐謠 編輯：寇博 照片提供：耿顯葳，楊莉）