新型锂硫电池组件的容量增加了一倍

该图显示了锂-硫电池单元循环期间复杂离子簇的形成。这些簇由阳离子聚合物粘合剂，电池电解质和阴离子硫活性材料组成。(

锂硫电池更便宜，重量更轻且在相同质量下可以存储几乎两倍的能量，因此有望替代电动汽车中的普通锂离子电池。然而，锂硫电池随着时间的流逝变得不稳定，并且其电极劣化，从而限制了其广泛采用。

现在，由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家领导的一组研究人员报告说，与传统的锂硫电池相比，新型锂硫电池组件的容量可翻一番，甚至更多在高电流密度下进行100次以上的充电周期，这是在电动汽车（EV）和航空领域采用的关键性能指标。

他们通过设计一种新型聚合物粘合剂来做到这一点，该聚合物粘合剂可主动调节锂硫电池中的关键离子传输过程，并且还展示了其在分子水平上的功能。这项工作最近在《自然通讯》上有报道。

伯克利实验室分子铸造厂的研究员兼该研究的作者布雷特·赫尔姆斯说：“新聚合物起到了隔离墙的作用。”“硫被装载到碳主体的孔中，然后被我们的聚合物密封。当硫参与电池的化学反应时，该聚合物可防止带负电荷的硫化合物飘出。该电池具有实现下一代电动汽车的广阔前景。”

当锂硫电池存储并释放能量时，化学反应会产生可移动的硫分子，这些硫分子与电极断开连接，导致其降解并最终随着时间的推移降低电池的容量。为了使这些电池更稳定，研究人员传统上一直在为电极开发保护涂层，并开发新的聚合物粘合剂，这些粘合剂可将电池组件粘合在一起。这些粘合剂旨在控制或减轻电极的溶胀和开裂。

新的粘合剂更进一步。伯克利实验室分子铸造厂的有机合成设施的研究人员是专门研究纳米级科学的研究中心，他们设计了一种聚合物，通过选择性地结合硫分子来抵消硫的迁移趋势，从而使硫与电极紧密接触。

下一步是了解在充电和放电以及不同充电状态下可能发生的动态结构变化。指导铸造厂的理论设备的大卫·普伦德加斯特（David Prendergast）和理论设备的项目科学家托德·帕斯卡（Tod Pascal）建立了一个模拟模型，以测试研究人员对聚合物行为的假设。

Prendergast说：“基于对溶解的含硫产物的详细量子力学模拟的学习，我们现在可以可靠，高效地对这些粘结剂中的硫化学模型进行建模。”

他们在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算资源上进行了大规模的分子动力学模拟，证实该聚合物具有结合移动硫分子的亲和力，并且还预测该聚合物可能会显示出偏好性用于在电池的不同充电状态下结合不同的硫物质。在伯克利实验室的高级光源和阿贡国家实验室的电化学发现实验室进行的实验证实了这些预测。

该研究小组还通过检查用这种新型聚合物粘合剂制成的锂硫电池的性能，使研究进一步向前迈进了一步。通过一组实验，他们能够分析和量化聚合物如何影响硫阴极中的化学反应速率，这对于通过这些电池实现高电流密度和高功率至关重要。

通过在长期循环中使电池的容量几乎增加一倍，这种新型聚合物提高了锂硫电池容量和功率的门槛。

对新聚合物的合成，理论和特性的综合理解使其成为美国能源部能源存储研究联合中心（JCESR）锂硫电池原型中的关键组件。

出版物：Longlong Li等人，“对能有效调节硫阴极中离子传输的聚电解质粘合剂的分子理解”，《自然通讯》第8期，文章编号：2277（2017）doi：10.1038 / s41467-017-02410-6