分子圖顯示了硫化鉬的結(jié)構(gòu)，硫化鉬是用于制造鋰 - 硫電池的新型正極的材料之一。
該團(tuán)隊(duì)將他們的概念描述為“混合”正極，因?yàn)樗Y(jié)合了以前使用的兩種不同方法的方面，一種是增加每磅能量輸出（重量能量密度），另一種是每升能量（體積能量）密度）。他們說(shuō)，這種協(xié)同組合產(chǎn)生了一種既能提供兩者優(yōu)勢(shì)又能提供更多優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。
這項(xiàng)工作今天在“ 自然能源 ”雜志上發(fā)表，該論文由麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程和材料科學(xué)與工程教授朱莉撰寫。薛偉江，麻省理工學(xué)院博士后; 還有13個(gè)人。
今天的鋰離子電池傾向于使用由過(guò)渡金屬氧化物制成的正極（電池中的兩個(gè)電極之一），但是具有由硫制成的正極的電池被認(rèn)為是減輕重量的有前途的替代品。今天，鋰硫電池的設(shè)計(jì)者面臨著權(quán)衡。
這種電池的正極通常以兩種方式之一制成，稱為插層類型或轉(zhuǎn)換類型。使用諸如鈷酸鋰之類的化合物的插層類型提供高體積能量密度 - 由于其高密度，每體積包裝大量沖頭。這些正極可以保持它們的結(jié)構(gòu)和尺寸，同時(shí)將鋰原子結(jié)合到它們的晶體結(jié)構(gòu)中。
另一種稱為轉(zhuǎn)換型的正極方法使用在結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)化的硫，甚至?xí)簳r(shí)溶解在電解質(zhì)中。“從理論上講，這些[電池]具有非常好的重量能量密度，”Li說(shuō)。“但體積密度低，”部分原因是它們往往需要大量額外的材料，包括過(guò)量的電解質(zhì)和碳，用于提供導(dǎo)電性。
在他們的新混合系統(tǒng)中，研究人員已經(jīng)設(shè)法將這兩種方法結(jié)合到一個(gè)新的正極中，該正極結(jié)合了一種叫做Chevrel相的硫化鉬和純硫，它們共同提供了兩者的最佳方面。他們使用這兩種材料的顆粒并壓縮它們以制造固體正極。“它就像底漆和TNT一樣是爆炸性的，一種速效的，一種是每重量能量更高的一種，”Li說(shuō)。
Li說(shuō)，除了其他優(yōu)點(diǎn)之外，組合材料的導(dǎo)電性相對(duì)較高，因此減少了對(duì)碳的需求并降低了總體積。他說(shuō)，典型的硫正極由20％至30％的碳組成，但新版本僅需要10％的碳。
使用新材料的凈效果是巨大的。今天的商用鋰離子電池的能量密度約為每千克250wh和每升700wh，而鋰硫電池最高可達(dá)每千克400瓦時(shí)，但每升只有400瓦時(shí)。Li說(shuō)，新版本的初始版本尚未通過(guò)優(yōu)化過(guò)程，已經(jīng)達(dá)到每公斤超過(guò)360瓦時(shí)和每升581瓦時(shí)。就這些能量密度的組合而言，它可以擊敗鋰離子電池和鋰硫電池。
他說(shuō)，通過(guò)進(jìn)一步的工作，“我們認(rèn)為我們可以達(dá)到每公斤400瓦時(shí)和每升700瓦時(shí)”，后者的數(shù)字與鋰離子相當(dāng)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)比許多旨在開發(fā)大型電池原型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步：他們不再測(cè)試容量?jī)H為幾毫安時(shí)的小型紐扣電池，而是生產(chǎn)了一種三層袋式電池（標(biāo)準(zhǔn)）用于電動(dòng)車等產(chǎn)品的電池子單元，容量超過(guò)1,000毫安時(shí)。這與一些商用電池相當(dāng)，表明新設(shè)備確實(shí)符合其預(yù)測(cè)的特性。
到目前為止，新電池在失去太多功率有用之前，在充電 - 放電循環(huán)次數(shù)方面無(wú)法滿足鋰離子電池的使用壽命。但這種限制“不是正極的問(wèn)題”; 它與整體電池設(shè)計(jì)有關(guān)，“我們正在努力，”Li說(shuō)。即使在目前的早期形式中，“這對(duì)于一些小眾應(yīng)用也很有用，例如遠(yuǎn)程無(wú)人機(jī)”，其中重量和體積都比長(zhǎng)壽更重要。
“我認(rèn)為這是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，”Li說(shuō)。
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