可自愈阴极可以释放固态锂硫电池的潜力

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用于固态锂硫电池的新型阴极材料，该材料具有导电性且结构可修复，这些特性克服了这些电池当前阴极的局限性。

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。这些电池有望成为当前锂离子电池的优质替代品，因为它们具有更高的能量密度和更低的成本。它们每公斤储存的能量是传统锂离子电池的两倍，换句话说，它们可以在不增加电池组重量的情况下将电动汽车的续航里程增加一倍。此外，使用丰富且易于采购的材料使其成为经济上可行且更环保的选择。

然而，锂硫固态电池的发展历史上一直受到硫正极固有特性的困扰。硫不仅是一种不良的电子导体，而且硫正极在充电和放电过程中也会经历显着的膨胀和收缩，导致结构损坏并减少与固体电解质的接触。这些问题共同削弱了阴极传输电荷的能力，从而损害了固态电池的整体性能和寿命。

为了克服这些挑战，由加州大学圣地亚哥分校可持续电力和能源中心的研究人员领导的团队开发了一种新的阴极材料：由硫和碘组成的晶体。通过将碘分子插入到晶体硫结构中，研究人员将阴极材料的电导率大幅提高了11个数量级，使其电导率比单独由硫制成的晶体高1000亿倍。

“我们对这种新材料的发现感到非常兴奋，”该研究的共同高级作者、加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授兼可持续电力和能源中心主任刘平说。“硫的电导率急剧增加是令人惊讶的，并且在科学上非常有趣。”

此外，新的晶体材料具有65摄氏度(149华氏度)的低熔点，低于一杯热咖啡的温度。这意味着电池充电后阴极可以很容易地重新熔化，以修复循环中损坏的界面。这是解决重复充电和放电期间阴极和电解质之间的固-固界面处发生的累积损伤的重要特征。

该研究的共同资深作者、加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授ShyuePingOng表示：“这种碘化硫阴极提出了一种独特的概念，可以解决锂硫电池商业化的一些主要障碍。”“碘会以适当的量破坏将硫分子固定在一起的分子间键，从而将其熔点降低到金发姑娘区——高于室温，但又足够低，使阴极能够通过熔化定期重新愈合。”

“我们新型阴极材料的低熔点使得修复界面成为可能，这是这些电池长期以来备受追捧的解决方案，”该研究的共同第一作者周建斌说，他是刘研究小组的前纳米工程博士后研究员。“这种新材料是未来高能量密度固态电池的可行解决方案”。

为了验证新型阴极材料的有效性，研究人员构建了一个测试电池，并对其进行重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。

研究报告合著者、美国本田研究所首席科学家克里斯托弗·布鲁克斯(ChristopherBrooks)表示：“这一发现有可能通过大幅提高电池的使用寿命来解决引入固态锂硫电池的最大挑战之一。”，Inc.“电池通过升高温度进行自我修复的能力可以显着延长电池的总生命周期，为固态电池的实际应用创造一条潜在的途径。”

该团队正致力于通过改进电池工程设计和扩大电池规格来进一步推进固态锂硫电池技术。

“虽然要提供可行的固态电池还有很多工作要做，但我们的工作是重要的一步，”刘说。“这项工作的成功得益于加州大学圣地亚哥分校的团队与国家实验室、学术界和工业界的研究合作伙伴之间的良好合作。”