可修复的硫阴极材料，导电性提高1000亿倍

发布时间: 2024-03-17 19:30:13 来源：中国科学报

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日前，美国加州大学圣地亚哥分校可持续电力和能源中心研究人员在《自然》发表成果，他们开发了一种用于固态锂硫电池的新型阴极材料，该材料具有高导电性和结构可修复性，克服了传统硫阴极的限制。该进展有望使锂硫电池更接近产业应用。

固态锂硫电池是一种可再充电池，由固体电解质、锂金属制成的阳极和硫制成的阴极组成，由于更高的能量密度和更低的成本，其有望成为传统锂离子电池的替代品。

这些电池每公斤储存的能量是锂电池的两倍，即它们可以在不增加电池组重量的情况下使电动汽车的续航里程翻倍，同时丰富、易得的源材料使其成为一种经济可行、环境友好的选择。

然而，硫阴极的特性阻碍了固态锂硫电池的发展。硫不仅是一种不良的电子导体，并且硫阴极会随着充、放电过程发生显著的膨胀和收缩，导致结构损坏和与固体电解质的接触减弱。

这些问题削弱了阴极转移电荷的能力，累及固态电池的整体性能和寿命。

科研团队开发的新型阴极材料是由硫和碘组成的晶体。他们通过把碘分子引入晶体硫结构，将阴极材料的电导率提高了11个数量级，其导电性比单独由硫制成的晶体提高了1000亿倍。

另一方面，由于碘破坏了将硫分子连接在一起的分子间键，其破坏量刚好可以将这种新的晶体材料的熔点降低到足够低——只有65摄氏度，因此在电池充电后，只需重新熔化阴极，即可轻松修复循环中损坏的界面。

此性能对于解决由于重复充放电导致的阴极和电解质界面处的累积损伤至关重要。

为了验证这种新型阴极材料的有效性，研究人员构建了一个测试电池，并对其进行反复充电和放电循环。电池在400多次充放电循环中保持稳定，并保留了87%的容量。

这种碘化硫阴极为解决固态锂硫电池商业化的主要障碍提供了独特的概念。该团队表示，新型阴极材料的低熔点使修复界面成为可能，这种新材料有望成为高能量密度固态电池的一种赋能解决方案。

“这一发现有可能通过显著提高电池的使用寿命来解决固态锂硫电池引入的最大挑战之一”，研究合著者、美国本田研究所首席科学家克里斯托弗·布鲁克斯说，“电池只需通过提高温度就可以自我修复，这可以显著延长电池的整个寿命周期，为固态电池的实际应用创造潜在途径。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07101-z

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