為了滿足未來(lái)電力的需求，新的電池技術(shù)將是必不可少的。其中一個(gè)有力候選者就是硫鋰電池，它的理論能量密度是鋰離子電池的5倍以上。瑞典查默斯理工大學(xué)的研究人員最近公布了一項(xiàng)具有希望的突破性成果，他們利用石墨烯海綿的特殊結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了鋰硫電池的正極及電解質(zhì)性能。

實(shí)驗(yàn)中所使用電池的結(jié)構(gòu)示意圖

這項(xiàng)成果的關(guān)鍵在于石墨烯氣凝膠，它是一種由還原的氧化石墨烯制成，具備多孔、類似海綿結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員的設(shè)想是讓它在電池中充當(dāng)獨(dú)立電極，以便更全面、高效地利用硫。

傳統(tǒng)的電池由四個(gè)部分組成。首先，有兩個(gè)覆蓋有活性物質(zhì)的支撐電極，即正極和負(fù)極。在它們之間存在著電解質(zhì)，通常呈液態(tài)，允許離子來(lái)回轉(zhuǎn)移。第四個(gè)組件是隔膜，它作為一個(gè)物理屏障，防止兩個(gè)電極之間的接觸，同時(shí)仍然允許離子的轉(zhuǎn)移。

研究人員在此之前曾嘗試讓正極和電解質(zhì)一體化，結(jié)合成一種液體，即所謂的“catholyte”*。這一概念有助于減輕電池的重量，并能提供更快的充電速度和更好的供電能力。現(xiàn)在，隨著石墨烯氣凝膠的發(fā)展，這一概念被證明是可行的，并提供了一些非常有前景的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究人員取出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬幣電池盒，首先插入了一層薄薄的多孔石墨烯氣凝膠。“起初的氣凝膠就像一個(gè)瘦長(zhǎng)的圓柱體，然后你得把它像臘腸一樣切成片，接著將這片氣凝膠壓縮至適合電池的大小。”查默斯大學(xué)物理系的卡門·卡瓦洛(Carmen Cavallo)說(shuō)，她是這項(xiàng)研究的首席研究員。然后再將含硫豐富的電解質(zhì)溶液注入到電池中，具備多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠會(huì)像海綿一樣吸收這些液體。

“石墨烯氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。它吸收了大量的電解質(zhì)，使得那個(gè)區(qū)域內(nèi)有足夠高的“硫”密度，使“catholyte”的概念可以成立。這種半液態(tài)的“catholyte”能夠允許硫在沒有任何損失的情況下來(lái)回循環(huán)，也不會(huì)因?yàn)槿芙舛鴣G失——因?yàn)樗旧砭鸵呀?jīng)溶解在其中了，”Carmen Cavallo說(shuō)。

為了充分發(fā)揮電解質(zhì)的作用，研究人員還在隔膜中也加入了部分電解質(zhì)溶液，最大限度地提高了電池的硫含量。

*編者注：雖然“catholyte”直譯意思為“在電解槽中圍繞正極的電解質(zhì)的一部分”，但在該項(xiàng)研究成果中，更貼近于“正極+電解質(zhì)”的意思

原文鏈接：https://phys.org/news/2019-04-graphene-sponge-lithium-sulphur-batteries.html

來(lái)源：phys.org

編譯 Coco