陰極材料真的能讓鋰電池提高能量密度嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-07-08 17:25
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美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）為鋰電池設(shè)計了一種新型有機陰極材料。該材料以硫為核心，與鋰電池中傳統(tǒng)的陰極材料相比，能量密度更高、更具成本效益且更環(huán)保。
智能手機和電動汽車等日常生活用品都需要鋰電池提供能量，而隨著人們對此類產(chǎn)品的需求不斷增長，科學(xué)家們一直在研究如何優(yōu)化陰極材料，以提升鋰電池系統(tǒng)的整體性能。
除了解決電池系統(tǒng)面臨的能量挑戰(zhàn)，布魯克海文國家實驗室的科學(xué)家還在研究可持續(xù)性電池的材料設(shè)計。為了尋找可提供高能量密度的可持續(xù)性陰極材料，科學(xué)家們選擇了一種安全和儲量豐富的元素 – 硫。
美國能源部布魯克海文科學(xué)用戶設(shè)施辦公室國家同步光源二部（NSLS-II）科學(xué)家表示：“硫可以形成很多鍵，即能夠抓住更多鋰，從而增強能量密度。而且硫也比陰極材料中的傳統(tǒng)元素輕，因而可讓電動汽車具備更長的續(xù)航里程。”
研究人員在設(shè)計該新陰極材料時，選擇了一種由碳、氫、硫和氧組成的有機二硫化合物，而不是傳統(tǒng)鋰電池中重金屬，重金屬不是很環(huán)保。但是雖然硫電池更安全、能量密度更高，但是也會面臨著其他挑戰(zhàn)。
Shadike表示：“當電池充放電的時候，硫會變成一種不好的復(fù)合物，溶解在電解質(zhì)中，并擴散至整個電池，引起不良反應(yīng)。我們設(shè)計了一種陰極材料，可讓硫原子附著在一個有機支柱上，從而讓硫穩(wěn)定。”
研究人員表示，該項研究可提升高性能鋰電池的性能，此類鋰電池使用以硫為核心的陰極材料。“鋰離子電池包括一個陽極和一個陰極，”UMD的科學(xué)家，該論文的主要作者之一，Xiulin Fan說。“與用于鋰離子電池的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量受限得多，陰極（即正極）材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
UMD的科學(xué)家們合成了一種新的陰極材料，這種材料是一種經(jīng)過改造和設(shè)計的三氟化鐵（FeF3），由具有成本效益和環(huán)境友好的元素：鐵和氟組成。研究人員一直對鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統(tǒng)陰極材料更高的容量。
“通常用于鋰離子電池的材料是基于插層化學(xué)的，”布魯克海文的化學(xué)家，該論文的主要作者之一Enne Hu說。“這種類型的化學(xué)反應(yīng)非常有效，但是它只轉(zhuǎn)移一個電子，所以陰極的容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過一種更復(fù)雜的反應(yīng)機制，（即轉(zhuǎn)化反應(yīng)）轉(zhuǎn)移多個電子。”
