容量是鋰離子電池的五倍且環(huán)境污染低的電池可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)更便宜的電動(dòng)汽車和大規(guī)模存儲(chǔ)主電源。基于鋰和硫 (Li-S) 的電池能夠在 200 多次充電和放電循環(huán)中保持 99% 的效率；如果用于為智能手機(jī)供電，它可以保持運(yùn)行五天（圖 1）。

這種新電池是由澳大利亞墨爾本莫納什大學(xué)機(jī)械工程和航空航天系研究員 Mahdokht Shaibani 及其同事開(kāi)發(fā)的。

研究人員已為其制造工藝申請(qǐng)了專利，并且原型電池已由包括弗勞恩霍夫材料與梁技術(shù)研究所在內(nèi)的德國(guó)合作伙伴成功制造。科學(xué)家們認(rèn)為，這一發(fā)展可能會(huì)改變未來(lái)手機(jī)、汽車、計(jì)算機(jī)和太陽(yáng)能網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)方式。該研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

該研究小組包括 Shaibani 和她在莫納什大學(xué)的團(tuán)隊(duì)；與來(lái)自 CSIRO、列日大學(xué)、弗勞恩霍夫和 Beam Technology 的同事一起。

“鋰硫電池的設(shè)計(jì)和實(shí)施可以徹底改變汽車市場(chǎng)，”作者之一、莫納什大學(xué)教授 Mainak Majumder 說(shuō)。

圖 1：Matthew Hill 副教授、Mahdokht Shaibani 博士和 Mainak Majumder 教授 [來(lái)源：莫納什大學(xué)]

談到電池，每個(gè)人都在尋找能夠提供更長(zhǎng)壽命和可持續(xù)性的新解決方案。研究人員一直致力于研究可以充電更多、使用壽命更長(zhǎng)的電池。

迄今為止，鋰硫電池的弱點(diǎn)在于硫電極的高容量，大到在正常的電池充放電循環(huán)中會(huì)斷裂。硫電極在循環(huán)過(guò)程中膨脹和收縮，電極體積變化約78%。

由于鋰化/脫鋰體積的顯著變化以及由此產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)硫電極充電至所需水平 5 至 10 mg cm-2 時(shí)，更高的能量性能會(huì)迅速減弱。研究人員在化學(xué)水平上為硫顆粒提供了更多空間，使用較少量的聚合物材料將顆粒固定在電極中，從而在硫顆粒之間形成更多的間隔結(jié)構(gòu)。使用與鋰離子電池相同的材料，研究人員重新配置了硫陰極的設(shè)計(jì)，使其能夠承受更高的應(yīng)力負(fù)載，而不會(huì)降低整體容量或性能。

這種鋰硫電池可以顯著降低電池的成本，因?yàn)榱蚴且环N豐富且極其經(jīng)濟(jì)的化學(xué)元素。然而，可能存在與鋰離子電池生產(chǎn)相關(guān)的倫理問(wèn)題。電動(dòng)汽車的主要問(wèn)題與電池生產(chǎn)所需原材料的提取過(guò)程有關(guān)。許多研究還側(cè)重于開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境影響較小的廉價(jià)組件，例如硫。

據(jù)科學(xué)家預(yù)測(cè)，到2050年，道路上的電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到9.65億輛，電池的儲(chǔ)能容量要上升到12380GWh，而光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量要超過(guò)7100GW。未來(lái)幾年，對(duì)金屬的需求將大幅增長(zhǎng)。

電池是未來(lái)幾年在運(yùn)輸和電力方面使歐洲能源供應(yīng)系統(tǒng)擺脫碳?xì)浠衔锏年P(guān)鍵技術(shù)之一。硫更容易找到且更便宜，尤其是因?yàn)樗彩鞘图庸さ膹U物。在不久的將來(lái)，我們將需要新一代高性能、可靠、安全、可持續(xù)且價(jià)格合理的電池。

儲(chǔ)能系統(tǒng)將在電力和熱力系統(tǒng)的完全脫碳中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。從化石燃料到可再生能源的過(guò)渡不能不包括先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，例如儲(chǔ)能系統(tǒng)和電池。

與傳統(tǒng)鋰離子（Li-ion）電池相比，儲(chǔ)能新技術(shù)涉及使用硫，硫是一種非常經(jīng)濟(jì)的材料，與傳統(tǒng)鋰離子相比，具有更高的過(guò)載耐受性、更低的毒性和更輕的重量。
利用鋰硫電池的電化學(xué)反應(yīng)可以在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)令人興奮的新發(fā)展。其他研究人員發(fā)現(xiàn)，將硫碳儲(chǔ)能包裹在薄而柔韌的石墨烯片中可以加速電子和離子的傳輸，從而提高性能和導(dǎo)電性。通過(guò)將硫碳單元包裹在石墨烯片中，您可以獲得更長(zhǎng)的電池壽命、更好的循環(huán)穩(wěn)定性和更高的效率。

審核編輯 黃昊宇