梁佩芬

一項(xiàng)最新研究闡述了鋰硫電池如何可能最終突破當(dāng)今鋰離子電池在充電速度和性能上的限制。

在全球向電動(dòng)出行轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，電池所需的充電時(shí)間仍然是電動(dòng)汽車(chē)（EV）面臨的一個(gè)重大障礙。

當(dāng)今的鋰離子電池需要20到30分鐘才能從20%充至80%，而完全充滿(mǎn)電通常耗時(shí)更久，并且高速充電會(huì)隨著時(shí)間推移損耗電池單元。

然而，基爾大學(xué)（KielUniversity）的一項(xiàng)新國(guó)際研究表明，鋰硫電池（LSBs）可能很快將改寫(xiě)這些局限。

12分鐘充滿(mǎn)100%

由德國(guó)基爾大學(xué)的莫扎法爾·阿卜杜拉希法爾（MozaffarAbdollahifar）博士協(xié)調(diào)、最近發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》上的國(guó)際研究概述了鋰硫電池（LSBs）如何可能最終克服當(dāng)今鋰離子電池系統(tǒng)在速度和性能上的限制。

基于對(duì)數(shù)百項(xiàng)最新研究的分析，來(lái)自德國(guó)、印度和中國(guó)臺(tái)灣的研究人員提供了一份路線圖，展示了鋰硫電池如何能夠?qū)崿F(xiàn)30分鐘以?xún)?nèi)的充電時(shí)間（某些情況下甚至可能低至12分鐘），同時(shí)提供更高的能量密度和更強(qiáng)的安全性。

鋰硫電池設(shè)計(jì)的核心是硫正極與金屬鋰負(fù)極的組合。這種組合的理論容量高達(dá)每公斤2600瓦時(shí)（Wh/kg），接近傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度的十倍。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，這意味著單次充電的續(xù)航里程顯著延長(zhǎng)，這是消除消費(fèi)者里程焦慮的關(guān)鍵一步。硫是一種安全、環(huán)保的材料，既便宜又易得。與供應(yīng)鏈脆弱且存在倫理問(wèn)題的鈷和鎳相比，這使其成為一個(gè)極具吸引力的選擇。

鋰硫電池的挑戰(zhàn)

然而，鋰硫電池技術(shù)面臨著重要挑戰(zhàn)。硫的導(dǎo)電性差，因此需要與碳基材料混合以有效傳導(dǎo)電荷。這些材料增加了設(shè)計(jì)的重量和復(fù)雜性。此外，硫正極在充放電循環(huán)中會(huì)發(fā)生高達(dá)80%的體積膨脹和收縮，降低了機(jī)械穩(wěn)定性并縮短了電池的使用壽命。

或許最棘手的問(wèn)題是“穿梭效應(yīng)”（shuttleeffect），即中間產(chǎn)物多硫化鋰化合物在正負(fù)極之間遷移，引發(fā)不必要的副反應(yīng)并導(dǎo)致效率損失。這個(gè)問(wèn)題不僅會(huì)降低性能，還會(huì)在長(zhǎng)期循環(huán)中造成不穩(wěn)定性。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是鋰金屬負(fù)極上的枝晶形成。這些微小的針狀結(jié)構(gòu)在反復(fù)充電循環(huán)中生長(zhǎng)，可能導(dǎo)致短路，在某些情況下甚至引發(fā)電池起火。正如主要作者雅各布·奧夫曼（JakobOffermann）所解釋的那樣，防止枝晶生長(zhǎng)對(duì)于確保下一代電池的安全性和可靠性至關(guān)重要。

解決方案與進(jìn)展

該綜述研究指出了實(shí)現(xiàn)快速充電鋰硫電池同時(shí)保持安全性和高性能的科學(xué)與工程策略。

一個(gè)關(guān)鍵重點(diǎn)是使用先進(jìn)的碳基材料（如石墨烯、納米管和多孔活性炭結(jié)構(gòu)）來(lái)增強(qiáng)正極設(shè)計(jì)，以改善電子和離子的傳輸。其他進(jìn)展包括使用催化材料（如金屬氧化物和單原子催化劑）來(lái)加速硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)并抑制穿梭效應(yīng)。研究人員還在探索改進(jìn)隔膜和高濃度電解質(zhì)，以限制多硫化物的遷移并實(shí)現(xiàn)快速的離子交換。

穩(wěn)定鋰負(fù)極仍然是優(yōu)先事項(xiàng)。正在測(cè)試保護(hù)性表面涂層和工程化的3D鋰結(jié)構(gòu)，以抑制枝晶形成并延長(zhǎng)電池壽命。同時(shí)，研究人員正在試驗(yàn)新型硫形態(tài)，如單斜晶系γ-硫（monoclinicgamma-sulfur），它可能實(shí)現(xiàn)直接的固態(tài)反應(yīng)，從而有效完全繞過(guò)穿梭效應(yīng)。

人工智能（AI）

人工智能正越來(lái)越多地用于優(yōu)化這種復(fù)雜的材料格局，預(yù)測(cè)能在能量密度、穩(wěn)定性和充電速度之間提供最佳平衡的組合。

據(jù)阿卜杜拉希法爾博士稱(chēng)，早期原型已經(jīng)展現(xiàn)出令人鼓舞的性能，在實(shí)際充電速率下實(shí)現(xiàn)了約2mAh/cm2的能量密度?！拔覀兊姆治霰砻鳎瑢?shí)現(xiàn)低于30分鐘，某些情況下甚至低于15分鐘的快速充電時(shí)間是現(xiàn)實(shí)的，同時(shí)還能提高容量，”他說(shuō)?！暗屼嚵螂姵卣嬲戒囯x子系統(tǒng)，仍需在材料負(fù)載和結(jié)構(gòu)集成方面進(jìn)一步改進(jìn)?！?/p>

國(guó)際合作與未來(lái)展望

這項(xiàng)研究通過(guò)國(guó)際合作得以實(shí)現(xiàn)，得到了德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）、歐盟區(qū)域發(fā)展基金、印度希夫·納達(dá)爾杰出學(xué)府（ShivNadarInstitutionofEminence）以及臺(tái)灣地區(qū)科學(xué)主管部門(mén)的支持。這項(xiàng)跨學(xué)科的努力涵蓋了材料科學(xué)、電化學(xué)、納米技術(shù)和能源工程，為應(yīng)對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域最緊迫的挑戰(zhàn)之一指明了整體解決方向。

目前，在喝杯咖啡的時(shí)間內(nèi)為電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電仍然是一個(gè)未來(lái)的愿景。但由基爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出的路線圖若被證明成功，這個(gè)未來(lái)可能比預(yù)期更快到來(lái)，為正在迅速超越化石燃料的世界提供充電更快、更清潔、更安全且更持久的電池。

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