為了滿足未來電力的需求，新的電池技術(shù)將是必不可少的。其中一個有力候選者就是硫鋰電池，它的理論能量密度是鋰離子電池的5倍以上。瑞典查默斯理工大學(xué)的研究人員最近公布了一項具有希望的突破性成果，他們利用石墨烯海綿的特殊結(jié)構(gòu)，改進了鋰硫電池的正極及電解質(zhì)性能。

實驗中所使用電池的結(jié)構(gòu)示意圖

這項成果的關(guān)鍵在于石墨烯氣凝膠，它是一種由還原的氧化石墨烯制成，具備多孔、類似海綿結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。在這項實驗中，研究人員的設(shè)想是讓它在電池中充當(dāng)獨立電極，以便更全面、高效地利用硫。

傳統(tǒng)的電池由四個部分組成。首先，有兩個覆蓋有活性物質(zhì)的支撐電極，即正極和負極。在它們之間存在著電解質(zhì)，通常呈液態(tài)，允許離子來回轉(zhuǎn)移。第四個組件是隔膜，它作為一個物理屏障，防止兩個電極之間的接觸，同時仍然允許離子的轉(zhuǎn)移。

研究人員在此之前曾嘗試讓正極和電解質(zhì)一體化，結(jié)合成一種液體，即所謂的“catholyte”*。這一概念有助于減輕電池的重量，并能提供更快的充電速度和更好的供電能力?，F(xiàn)在，隨著石墨烯氣凝膠的發(fā)展，這一概念被證明是可行的，并提供了一些非常有前景的實驗結(jié)果。

研究人員取出一個標(biāo)準(zhǔn)的硬幣電池盒，首先插入了一層薄薄的多孔石墨烯氣凝膠。“起初的氣凝膠就像一個瘦長的圓柱體，然后你得把它像臘腸一樣切成片，接著將這片氣凝膠壓縮至適合電池的大小?！辈槟勾髮W(xué)物理系的卡門·卡瓦洛(Carmen Cavallo)說，她是這項研究的首席研究員。然后再將含硫豐富的電解質(zhì)溶液注入到電池中，具備多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠會像海綿一樣吸收這些液體。

“石墨烯氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。它吸收了大量的電解質(zhì)，使得那個區(qū)域內(nèi)有足夠高的“硫”密度，使“catholyte”的概念可以成立。這種半液態(tài)的“catholyte”能夠允許硫在沒有任何損失的情況下來回循環(huán)，也不會因為溶解而丟失——因為它本身就已經(jīng)溶解在其中了，”Carmen Cavallo說。

為了充分發(fā)揮電解質(zhì)的作用，研究人員還在隔膜中也加入了部分電解質(zhì)溶液，最大限度地提高了電池的硫含量。

*編者注：雖然“catholyte”直譯意思為“在電解槽中圍繞正極的電解質(zhì)的一部分”，但在該項研究成果中，更貼近于“正極+電解質(zhì)”的意思

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

來源：phys.org

編譯 Coco