海藻衍生物可能正是锂硫电池所需要的

锂硫电池作为车辆和电网应用的低成本，高能量能源具有巨大潜力。然而，它们遭受显着的容量衰减。现在，能源部劳伦斯伯克利实验室(伯克利实验室)的科学家们已经发现了一个令人惊讶的发现，可以解决这个问题。

在由高刘领导的研究中，该团队意外地发现，海藻衍生物卡拉胶是锂硫电池中的稳定剂。更好的稳定性允许更多的循环和更长的寿命。他们的研究发表在纳米能源杂志的一篇题为“多硫化物和粘合剂之间的亲核取代意外地稳定锂硫电池”的论文中。

“对能量储存有很多需求，但是很少有化学成分可以达到成本目标，”该论文的通讯作者刘说。“硫是一种非常低成本的材料 – 它实际上是免费的。而且能量容量远远高于锂离子。因此，锂 – 硫是一种可能达到目标的化学物质。”

可再充电的锂 – 硫电池目前在商业上有一些限制，但化学中的“关键杀手”是硫开始溶解，产生所谓的多硫化物穿梭效应。在试图解决这个问题时，刘正在试验粘合剂，粘合剂是将电池中的所有活性材料固定在一起的物质。

“粘合剂就像胶水，通常电池设计师想要一种惰性的胶水，”刘说。“我们试过的这种粘合剂效果很好。我们问为什么，我们发现它的反应 – 它立即与多硫化物发生反应。它形成了一种共价键合结构。”

通过与硫化学反应，粘合剂能够阻止其溶解。一旦研究人员发现了这一点，他们四处寻找一种能够做同样事情的天然材料。它们落在角叉菜胶上，这是一种从红海藻中提取的物质，与他们在最初实验中使用的合成聚合物在同一官能团(或具有相似化学反应性的原子团)中。

“我们寻找的是经济实惠的东西，”刘说。“事实证明，角叉菜胶被用作食品增稠剂。它实际上与合成聚合物一样有效 – 它可以作为胶水固定多硫化物，制成非常稳定的电极。”

可视化原位反应

刘与伯克利实验室的先进光源的Jinghua Guo一起工作，这是世界上最亮的紫外线和软X射线光源之一，用于他的发现。

“光源提供独特的基于X射线的工具，”郭说。“我们希望该工具能够在电池充电的同时监控电化学。在这种情况下，我们用这些材料制作了一个专用电池，然后用X射线监测原位条件下的过程。”

刘补充说：“你不可能在其他任何地方进行这种实验。在这种情况下，我们有一个独特的光束线来检测硫磺。在原位设计工具总是需要付出很多努力。非原位很容易，但在此例如，非原生境没有给你带来结果。通过原位细胞，我们能够观察到硫的去向。结果，它不会去任何地方。这真的很酷。“

通用汽车公司是伯克利实验室能源存储和分布式资源部门的行业研究合作伙伴，他证实了刘的研究成果。“他们独立测试了它，看到了我们看到的相同效果 – 实际上稳定性更好，”刘说。

激进的离开

刘说，结果开辟了一种全新的电池化学思维方式。“科学地说，这是一个完全不同的概念，粘合剂是反应性的而不是惰性的，”他说。“人们不这么认为。他们认为粘合剂的功能是将物质固定在一起。我们发现，不，我们需要一种化学结合多硫化物的方法。”

刘和他的团队多年来一直致力于锂硫电池的研究。去年，他们在Nano Letters上发表了一篇论文，介绍了一种基于自然超高效蚁巢的新型锂硫电极结构。

随着这一突破以稳定锂硫电池，刘现在正在寻求进一步提高锂硫电池的寿命。“我们想要达到数千个周期，”他说。

锂硫电池的能量密度是锂离子电池的两倍以上，锂离子电池现在占据了市场主导地位。它们也更轻巧，因此它们在飞机和无人机中具有潜在的应用。事实上，2010年，锂硫电池在Zephyr(一种无人驾驶飞机)的14天太阳能飞行记录中提供了夜间动力。

刘，郭和他们的团队将继续研究细胞中的化学反应。“这种聚合物与硫结合后，接下来会发生什么?它如何与硫反应，是否可逆?” 刘说。“了解这将使我们能够开发更好的方法来进一步改善锂硫电池的寿命。”

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