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容量是鋰離子電池的五倍且環境污染低的電池可能會導致開發更便宜的電動汽車和大規模存儲主電源。基于鋰和硫 (Li-S) 的電池能夠在 200 多次充電和放電循環中保持 99% 的效率；如果用于為智能手機供電，它可以保持運行五天（圖 1）。

新電池是由澳大利亞墨爾本莫納什大學機械工程和航空航天系的研究員Mahdokht Shaibani和她的同事開發的。

研究人員已經為他們的制造工藝申請了專利(PCT 1 AU 2019/051239) ,原型電池已經由包括弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所在內的德國合作伙伴成功制造。科學家們認為,這一進展可能會改變未來手機、汽車、電腦和太陽能網絡的生產方式。這項研究發表在《科學進展》雜志上。

研究小組包括Shaibani和她在莫納什大學的團隊，與來自CSIRO、列日大學、弗勞恩霍夫和Beam Technology的同事們一起。

“Li-S電池的設計和實現可能會給汽車市場帶來一場革命，“論文作者之一、莫納什大學(Monash)教授Mainak Majumder說。

圖1:Matthew HiI副教授、Mahdokht Shaibanit博士和Mainak Majumder教授[來源:莫納什大學]

當談到電池,每個人都在尋找新的解決方案,提供更長的壽命和可持續性。研究人員一直致力于研究能夠充電更多、使用更久的電池。

到目前為止,鋰硫電池的弱點是由于硫電極的容量太大,以致于它打破了正常的電池充放電循環。硫電極在循環過程中膨脹收縮,電極體積變化約78%。

當硫電極充電到所需的5至10 mg cm-2時,由于鋰化/去硫化體積和由此產生的應力的巨大變化,較高的能量性能迅速衰減。研究人員在化學層面上為硫粒子提供了更大的空間,他們使用了更少的聚合材料來將硫粒子固定在電極上,從而在硫粒子之間創造了更多的空間結構。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計,使其能夠承受更高的應力負荷,而不會降低整體容量或性能。

這種鋰硫電池可以極大地降低電池的成本,因為硫是一種儲量豐富且極其經濟的化學元素。然而,可能存在與鋰離子電池生產相關的倫理問題。有關電遷移率的主要問題與提取生產電池所需的原材料的過程有關。許多研究也集中于開發對環境影響較小的較便宜的成分,例如硫。

據科學家預測,到2050年,道路上的電動汽車數量將達到9.65億輛,電池的存儲能力將提高到12380千兆瓦時,而光伏系統的存儲能力將超過7100千兆瓦時。未來幾年,對金屬的需求將大幅增長。

電池是未來幾年歐洲能源供應系統擺脫碳氫化合物(包括運輸和電力)的關鍵技術之一。硫磺更容易找到,也更便宜,尤其是因為它也是石油加工的廢棄物。在不久的將來,我們將需要新一代高性能、可靠、安全、可持續和廉價的電池。

儲能系統將在電力和熱力系統的完全脫碳過程中發揮越來越重要的作用。從化石燃料向可再生能源的過渡不能不包括發展先進的能源儲存技術,例如儲存系統和電池。

與傳統鋰離子電池相比,新的儲能技術使用了硫,硫是一種非常經濟的材料,比傳統鋰離子具有更高的抗過載能力、更低的毒性和更輕的重量。

利用鋰離子電池的電化學反應可以在各個應用領域帶來令人興奮的新發展。其他研究人員發現,將硫碳儲能材料包裹在柔性薄石墨烯薄片中,可以加速電子和離子的運輸,從而提高性能和導電性。通過將硫碳單元包裹在石墨烯片上,可以獲得更長的電池壽命、更好的循環穩定性和更高的效率。

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