纳米技术现在 - 新闻稿：以前未知的高能量、低成本和长寿命电池的途径：新发现的反应机制克服了锂硫电池性能的快速下降

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硫正极有催化剂（左）和无催化剂（右）的锂硫电池中从多硫化锂 (LiXNUMXS₆) 到硫化锂 (LiXNUMXS) 的不同反应途径。图片来源：阿贡国家实验室。）

硫正极有催化剂（左）和无催化剂（右）的锂硫电池中从多硫化锂 (LiXNUMXS₆) 到硫化锂 (LiXNUMXS) 的不同反应途径。信用
（图片由阿贡国家实验室提供。）

摘要：
科学家们通过在原子尺度上观察反应，发现了制造更好的锂硫电池的令人惊讶的途径。

此前未知的高能、低成本、长寿命电池途径：新发现的反应机制克服了锂硫电池性能快速下降的问题

伊利诺伊州莱蒙特 | 发表于 8 年 2023 月 XNUMX 日

从实验室的突破到实用技术的道路可能是一条漫长而坎坷的道路。锂硫电池就是一个例子。与目前为车辆提供动力的锂离子电池相比，它具有显着的优势。但尽管多年来发展迅猛，但它尚未削弱市场。

由于美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室科学家的努力，这种情况未来可能会发生改变。在过去的十年中，他们取得了多项与锂硫电池相关的关键发现。他们在《自然》杂志上发表的最新成果揭示了一种以前未知的反应机制，解决了电池的一个主要缺点——电池的寿命非常短。

阿贡化学科学与工程部门的化学家徐桂亮表示：“我们团队的努力可以使美国向更绿色、更可持续的交通环境迈进一大步。”

与目前的锂离子电池相比，锂硫电池具有三个显着优势。首先，它们可以在给定体积内存储两到三倍的能量，从而使车辆行驶里程更长。其次，由于硫的丰富性和可承受性，它们的成本较低，这使得它们在经济上可行。最后，这些电池不依赖钴和镍等关键资源，这些资源在未来可能面临短缺。

尽管有这些好处，但从实验室成功到商业可行性的转变已被证明是难以实现的。实验室电池已显示出有希望的结果，但当扩大到商业尺寸时，其性能会随着反复充电和放电而迅速下降。

这种性能下降的根本原因在于放电过程中硫从正极溶解，导致形成可溶性多硫化锂（Li2S6）。这些化合物在充电过程中流入锂金属负极（阳极），进一步加剧了这个问题。因此，阴极硫的损失和阳极成分的改变显着阻碍了电池在循环过程中的性能。

在最近的一项早期研究中，阿贡国家实验室的科学家开发了一种催化材料，当将少量添加到硫阴极时，基本上消除了硫损失问题。虽然这种催化剂在实验室和商业规模的电池中都显示出前景，但其原子级工作机制迄今为止仍然是个谜。

该团队的最新研究揭示了这种机制。在没有催化剂的情况下，多硫化锂在正极表面形成并经历一系列反应，最终将正极转化为硫化锂（Li2S）。

“但是阴极中存在少量催化剂就造成了一切不同，”徐说。 â�<“接下来是一种截然不同的反应途径，没有中间反应步骤。”

关键是在阴极表面形成致密的多硫化锂纳米级气泡，如果没有催化剂，这种气泡就不会出现。这些多硫化锂在放电过程中迅速扩散到整个阴极结构，并转化为由纳米级微晶组成的硫化锂。该过程可防止商业尺寸电池的硫损失和性能下降。

在解开反应机制的黑匣子时，科学家们采用了尖端的表征技术。利用美国能源部科学办公室用户设施先进光子源的光束线 20-BM 处的强同步加速器 X 射线束对催化剂的结构进行分析，表明催化剂在反应途径中发挥着关键作用。催化剂结构影响排出时最终产品以及中间产品的形状和组成。在催化剂的作用下，完全放电后形成纳米晶硫化锂。如果没有催化剂，就会形成微型棒状结构。

“我们团队的努力可以使美国向更绿色、更可持续的交通格局迈进一大步。” — Gui-Liang Xu，阿贡化学科学与工程部化学家

厦门大学开发的另一项重要技术使研究小组能够在测试电池工作时在纳米尺度上可视化电极-电解质界面。这项新发明的技术有助于将纳米级的变化与操作细胞的行为联系起来。

“基于我们令人兴奋的发现，我们将进行更多研究，以设计更好的硫阴极，”徐指出。 â�<“探索这种机制是否适用于其他下一代电池（例如钠硫电池）也是值得的。”

凭借该团队的最新突破，锂硫电池的未来显得更加光明，为交通运输行业提供了更可持续、更环保的解决方案。

关于这项研究的文章发表在《自然》杂志上。除徐之外，作者还包括Shiyuan Zhou、Jie Shi、Sangui Liu、Gen Li、Fei Pei、Youhu Chen、Junxian Deng、Qizheng Cheng、Jiayi Li、Chen Chao、Inhui Hwang、Cheng-Jun Sun、Yuzi Liu、Yu Deng 、黄令、乔宇、陈剑峰、卡里尔·阿明、孙世刚和廖宏刚。

其他参与院校包括厦门大学、北京化工大学和南京大学。阿贡国家实验室的研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室车辆技术办公室的支持。

关于高级光子源

位于阿根廷阿贡国家实验室的美国能源部科学技术办公室的高级光子源（APS）是世界上生产力最高的X射线光源设施之一。 APS向材料科学，化学，凝聚态物理，生命和环境科学以及应用研究的多元化研究人员群体提供高亮度X射线束。这些X射线非常适合探索材料和生物结构。元素分布化学，磁，电子状态；以及从电池到喷油器喷雾剂等一系列技术上重要的工程系统，所有这些都是我们国家经济，技术和身体健康的基础。每年，超过5,000名研究人员使用APS制作了2,000多种出版物，详细介绍了有意义的发现，并且比其他任何X射线光源研究机构的用户都解决了至关重要的生物蛋白质结构。 APS的科学家和工程师创新技术，这些技术是推进加速器和光源操作的核心。这包括产生研究人员珍视的极高亮度X射线的插入设备，将X射线聚焦到几纳米的透镜，使X射线与正在研究的样品相互作用的方式最大化的仪器以及可以收集和收集X射线的软件。管理APS的发现研究产生的海量数据。

这项研究使用的是先进光子源的资源，这是美国阿联酋科学技术局用户设施，由阿贡国家实验室根据DE-AC02-06CH11357号合同由阿贡国家实验室运营。

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关于美国能源部/阿贡国家实验室
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