德雷塞尔大学：TiO为提升锂硫电池的稳定性开辟了全新的道路

图为德雷克塞尔开发的热压工艺，在140摄氏度下，并略微加压将硫磺熔化成纳米纤维垫 ，节省了用混合有毒化学品的耗时，同时提高了阴极的能力。 图片来源：Drexel大学

2008年7月下旬，一架英国的太阳能飞机在高空停留了三天以上，创造了新的飞行耐力记录。当时锂硫电池被誉为最伟大的技术进步之一，受到了广泛的关注，在夜间为飞机提供动力，虽然其效率与当时的顶级电池无法比拟。十年后，世界仍在等待“Li-S”电池的商业到来。但德雷塞尔大学研究人员的突破消除了其生存能力的重大障碍。

科技公司表示，他们的产品，无论是笔记本电脑，手机还是电动汽车的发展，都取决于电池的稳定改进。只要电池进步，电子产品才能物尽其用，而锂离子电池，被认为是市场上最有潜力突破极限的产品。

目前存在的问题是，在最初几次充电后，Li-S电池无法保持其优越的容量。事实证明，作为提高能量密度的关键成分的硫，形成多硫化物中间产物从电极迁移，导致这种关键成分的损失和再充电期间的性能褪色。

多年来，科学家一直试图改变Li-S电池内部的反应以减少多硫化物，但大多数尝试后都更变得复杂，例如向电池添加重量或昂贵的材料或添加几个复杂的处理步骤。

最近，德雷克塞尔工程学院的研究人员在美国化学学会期刊上的《应用材料与接口》“Applied Materials and Interfaces”杂志中阐述了新方法，题为“《自由式纳米纤维TiO相作为Li-S电池中的强多硫化物固定剂：通过路易斯酸碱相用》。实验表明，TiO可以将多硫化物固定到位，保持电池的耐久性，同时减少整体重量和生产它们所需的时间。

“我们已经制备出独立式多孔一氧化钛纳米纤维毡作为锂硫电池中的阴极主体材料，”工程学院助理教授，该研究的主要作者Vibha Kalra博士说。 “这是一个重大的发展，因为我们发现我们的一氧化钛-硫阴极具有高导电性，能够通过强烈的化学相互作用结合多硫化物，这意味着它可以增加电池的比容量，同时通过数百次循环依然保持优异的性能。我们还可以证明，阴极侧的粘合剂和集电器占电极重量的30-50％ ，我们的方法只需几秒钟即可制造出硫阴极，而目前的标准可能需要近半天时间“。

德雷克塞尔工程学院的研究人员设计的方法可以将多硫化物固定到位，保持电池的耐久性，同时减少整体重量和生产它们所需的时间。 图片来源：Drexel大学

他们的研究表明硫阴极所处的纳米纤维垫在微观层面上类似于鸟巢，它可以吸引和捕获电池使用时产生的多硫化物。将多硫化物保持在阴极结构中可防止“穿梭”，即当它们溶解在电解质溶液中时发生的性能下降现象。据Kalra介绍，这种阴极设计不仅可以帮助Li-S电池保持其能量密度，而且还可以在没有增加重量和生产成本的额外材料的情况下实现。

为实现这些双重目标，该小组已仔细研究了多硫化物的反应机理和形成，以更好地了解电极主体材料如何控制它们。

“这项研究表明，阴极中一氧化钛和硫之间存在强烈的路易斯酸 - 碱相互作用，可防止多硫化物进入电解质，这是电池性能下降的主要原因。”卡拉拉实验室的博士后研究员，也是该论文的作者，rvinder Singh博士解释道。

研究表明，Kalra所使用纳米纤维电极与现有的电池组件相比具有多种优势。它们具有比当前电极更大的表面积，这意味着它们可以在充电期间适应膨胀，这可以提高电池的存储容量。通过填充电解质凝胶，它们可以消除设备中的易燃成分，最大限度地减少对泄漏，火 灾和爆 炸的敏感性。它们是通过静电纺丝工艺制造的，看起来像制作棉花糖，这意味着它们比标准的粉末基电极具有优势，这些电极需要在其生产中使用绝缘和性能恶化的“粘合剂”化学品。

与其设计无粘结剂，独立式阴极平台以改善电池性能，Kalra的实验室开发了一种快速硫沉积技术，只需五秒钟即可将硫加入其基材中。该程序在略微加压的140摄氏度环境中将硫熔化成纳米纤维垫 ，避免使用混合有毒化学品的耗时处理，同时提高了阴极在长时间使用后保持电荷的能力。

“我们的Li-S电极结构稳定和具有优异的化学性质，可最大限度地减少电池循环过程中的容量衰减，这是Li-S电池商业化的一个主要障碍，”Kalra说。 “我们的研究表明，这些电极的持续有效容量是目前锂离子电池的四倍。而我们新颖，低成本的方法可在几秒钟内对阴极进行硫化，从而消除了制造方面的重大障碍。”

自2008年Zephyr-6创纪录的飞行以来，许多公司已投资开发Li-S电池，希望增加电动汽车的范围，使移动设备在充电之间持续更长时间，甚至可以应用于风力和太阳能发电。Kalra的工作现在为这种电池技术提供了一条途径，可以解决目前电池发展一系列阻碍。

该集团将继续开发其Li-S阴极，目标是进一步改善循环寿命，减少多硫化物的形成并降低成本。