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锂硫电池的突破方向——让石墨烯海绵充满电解质!
2019年05月08日 发布 分类:技术前沿 点击量:393
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为了满足未来电力的需求,新的电池技术将是必不可少的。其中一个有力候选者就是硫锂电池,它的理论能量密度是锂离子电池的5倍以上。瑞典查默斯理工大学的研究人员最近公布了一项具有希望的突破性成果,他们利用石墨烯海绵的特殊结构,改进了锂硫电池的正极及电解质性能。

实验中所使用电池的结构示意图

这项成果的关键在于石墨烯气凝胶,它是一种由还原的氧化石墨烯制成,具备多孔、类似海绵结构的物质。在这项实验中,研究人员的设想是让它在电池中充当独立电极,以便更全面、高效地利用硫。

传统的电池由四个部分组成。首先,有两个覆盖有活性物质的支撑电极,即正极和负极。在它们之间存在着电解质,通常呈液态,允许离子来回转移。第四个组件是隔膜,它作为一个物理屏障,防止两个电极之间的接触,同时仍然允许离子的转移。

研究人员在此之前曾尝试正极和电解质一体化,结合成一种液体,即所谓的“catholyte”*。这一概念有助于减轻电池的重量,并能提供更快的充电速度和更好的供电能力。现在,随着石墨烯气凝胶的发展,这一概念被证明是可行的,并提供了一些非常有前景的实验结果。

研究人员取出一个标准的硬币电池盒,首先插入了一层薄薄的多孔石墨烯气凝胶。“起初的气凝胶就像一个瘦长的圆柱体,然后你得把它像腊肠一样切成片,接着将这片气凝胶压缩至适合电池的大小。”查默斯大学物理系的卡门·卡瓦洛(Carmen Cavallo)说,她是这项研究的首席研究员。然后再将含硫丰富的电解质溶液注入到电池中,具备多孔结构的气凝胶会像海绵一样吸收这些液体。

“石墨烯气凝胶的多孔结构是关键。它吸收了大量的电解质,使得那个区域内有足够高的“硫”密度,使“catholyte”的概念可以成立。这种半液态的“catholyte”能够允许硫在没有任何损失的情况下来回循环,也不会因为溶解而丢失——因为它本身就已经溶解在其中了,”Carmen Cavallo说。

为了充分发挥电解质的作用,研究人员还在隔膜中也加入了部分电解质溶液,最大限度地提高了电池的硫含量。

*编者注:虽然“catholyte”直译意思为“在电解槽中围绕极的电解质的一部分”,但在该项研究成果中,更贴近于“正极+电解质”的意思

原文链接:https://phys.org/news/2019-04-graphene-sponge-lithium-sulphur-batteries.html

来源:phys.org

编译 Coco


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