為了滿足未來電力的需求，新的電池技術將是必不可少的。其中一個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的研究人員最近公布了一項具有希望的突破性成果，他們利用石墨烯海綿的特殊結構，改進了鋰硫電池的正極及電解質性能。

實驗中所使用電池的結構示意圖

這項成果的關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、類似海綿結構的物質。在這項實驗中，研究人員的設想是讓它在電池中充當獨立電極，以便更全面、高效地利用硫。

傳統的電池由四個部分組成。首先，有兩個覆蓋有活性物質的支撐電極，即正極和負極。在它們之間存在著電解質，通常呈液態，允許離子來回轉移。第四個組件是隔膜，它作為一個物理屏障，防止兩個電極之間的接觸，同時仍然允許離子的轉移。

研究人員在此之前曾嘗試讓正極和電解質一體化，結合成一種液體，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。現在，隨著石墨烯氣凝膠的發展，這一概念被證明是可行的，并提供了一些非常有前景的實驗結果。

研究人員取出一個標準的硬幣電池盒，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瘦長的圓柱體，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。”查默斯大學物理系的卡門·卡瓦洛(Carmen Cavallo)說，她是這項研究的首席研究員。然后再將含硫豐富的電解質溶液注入到電池中，具備多孔結構的氣凝膠會像海綿一樣吸收這些液體。

“石墨烯氣凝膠的多孔結構是關鍵。它吸收了大量的電解質，使得那個區域內有足夠高的“硫”密度，使“catholyte”的概念可以成立。這種半液態的“catholyte”能夠允許硫在沒有任何損失的情況下來回循環，也不會因為溶解而丟失——因為它本身就已經溶解在其中了，”Carmen Cavallo說。

為了充分發揮電解質的作用，研究人員還在隔膜中也加入了部分電解質溶液，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的一部分”，但在該項研究成果中，更貼近于“正極+電解質”的意思

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

來源：phys.org

編譯 Coco