美国研发可自愈阴极用于固态锂硫电池 可将电动汽车续航增加一倍

盖世汽车讯 现在，研究人员向成功制造固态锂硫电池又迈进了一步。据外媒报道，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的一组工程师团队研发出新型固态锂硫电池阴极材料，该材料可导电且其结构可修复，克服了当前锂硫电池阴极存在的局限性。

新型固态锂硫电池阴极材料（图片来源：加州大学圣地亚哥分校）

固态锂硫电池是一种可充电电池，由固态电解质、锂金属阳极和硫阴极构成。此类电池有望成为现有锂离子电池的更优替代品，因为其可以提供更高的能量密度，而且成本更低。

与传统的锂离子电池相比，此类电池每千克可多存储一倍的能量，换句话说，可以在不增加电池组重量的情况下，让电动汽车的续航里程增加一倍。此外，此类电池采用的是储藏丰富且易采购的材料，因此是更具经济性且环保的选择。

不过，固态锂硫电池的研发一直受到硫阴极固有特性的阻碍。

原因在于，硫不仅是一种不良电导体，而且硫阴极在充放电过程中会发生显著的膨胀和收缩，从而导致电池结构损伤，减少与固态电解质的接触。上述问题导致此种阴极传输电荷的能力降低，影响了此种固态电池的整体性能和寿命。

为了克服此类挑战，加州大学圣地亚哥分校可持续电力与能源中心（UC San Diego Sustainable Power and Energy Center）的一组研究人员研发了一种新型阴极材料：由硫和碘构成的晶体。通过在晶体硫结构中插入碘分子，研究人员将阴极材料的导电性大大提升了11个数量级，使其导电性比只由硫制成的晶体高了1000亿倍。

该研究的资深作者之一、加州大学圣地亚哥分校纳米工程系教授兼可持续电力与能源中心主任Ping Liu表示：“我们很高兴能够发现该款新材料，硫的电导率大幅增加十分令人惊喜，而且从科学角度看，也十分有趣。”

此外，此种新型晶体材料的熔点低至65摄氏度（149华氏度），比一杯热咖啡的温度还低。这就意味着在电池充电后，阴极可以很容易地被重新熔化，以修复因充放电循环而损坏的界面。这一重要特性可以解决电池反复充放电过程中阴极和电解质之间的固-固界面上积累的损伤。

该研究资深作者之一兼加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院（UC San Diego Jacobs School of Engineering）教授Shyue Ping Ong表示：“该款硫碘阴极为解决锂硫电池的商业化障碍提供了一种独特的概念。”

“碘破坏了使硫分子聚集在一起的分子间的键，而且破坏的数量刚好，从而将其熔点降至宜居带——高于室温但是又足够低温到让阴极通过熔化，定期重新愈合”

该研究的共同第一作者兼Liu教授研究组前纳米工程系博士后研究员Jianbin Zhou表示：“我们研发的该款新型阴极材料的低熔点使其可以修复界面，这也是此类电池长期在寻求的解决方案。此种新材料是未来实现高能量密度固态电池的可行解决方案。”

为了验证此种新型阴极材料的有效性，研究人员打造了一款测试电池，并让其进行反复的充放电循环。该款电池在400次充放电循环后，仍可稳定运行，而且保留了87%的容量。

该研究的共同作者兼本田美国研究院公司（Honda Research Institute U.S., Inc.）首席科学家Christopher Brooks表示：“这一发现有可能通过显著增加电池的使用寿命来解决固态锂硫电池的最大挑战之一。”

“仅仅通过提高温度，电池就可自愈，从而显著延长电池的总寿命，为固态电池的现实应用开辟了一条潜在路径。”

目前，该团队正通过改进电池工程设计和扩大电芯尺寸，以进一步推动固态锂硫电池技术发展。