浦項大學可在30分鐘內合成鋰硫電池正極材料
時間:2021-10-11 11:08來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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隨著電動汽車、智能手機的普及，人們對高能、長壽命、快速充電儲能系統的需求也在不斷增加。然而，目前鋰離子電池技術無法滿足這一需求，研究人員逐漸將重點轉向下一代電池。據外媒報道，浦項理工大學（POSTECH）的研究團隊利用煉油過程中廢棄的硫，可在30分鐘內成功合成鋰硫電池正極材料。
（圖片來源：POSTECH）
該團隊開發了一種創新鋰硫電池，具有高能量密度和機械靈活性，并且能夠快速充電。這是首次通過反硫化合成富硫層級有序共聚物。在不使用表面活性劑或立體穩定劑的情況下，快速反應時間小于30分鐘。
與目前使用的高毒性過渡金屬基正極材料不同，硫因成本低、天然儲量豐富、毒性少而備受關注。尤其是鋰硫電池具有很高的理論能量密度（2600Wh kg-1)和高容量（1672mAh g-1），表現出作為下一代電池的潛力。然而，硫的導電性基本上較低，從而阻礙充分利用活性物質，使充放電循環放緩。另外，這種材料還具有在電解質中溶解度高的缺點，從而縮短了電池的使用壽命。
為了克服這些局限性，與傳統硫電極不同，研究團隊沒有采用熔體擴散工藝，而是通過硫和乙烯基膦酸（VPA）反硫化法進行共聚，僅在30分鐘內即可合成硫基聚合物顆粒。所產生的硫顆粒由基于低密度硫同素異形體的相分離α-硫和硫-VPA網狀物 (SVPA) 構成。
在短時間內形成大小均勻的層級有序顆粒，關鍵在于硫自由基與 VPA 之間的自催化反應。VPA所連接的長硫鏈在反應開始時形成，以在沒有表面活性劑的情況下穩定SVPA的球形形狀。有趣的是，研究表明在SVPA粒子表面會自發形成皺褶和孔隙，就像人的皮膚一樣，這有助于電解質滲透到正極中，同時也減輕了施加至電極表面的機械應力。
柔性鋰硫電池測試圖
研究人員通過這種方法證實，在簡單的合成方法的基礎上，可以在活性材料中引入多孔結構，以促進電解質滲透，并通過在低體積膨脹的SVPA框架中嵌入硫同素異形體，提高電極的機械完整性。此外，研究人員通過大量存在于活性材料表面的膦酸官能團， 有效地阻止了多硫化鋰洗脫（elution），從而實現優異的鋰硫電池性能。這種活性材料本身具有優良的彈性，以及作為交聯聚合物的優勢，顯示出作為柔性電極的潛力。
研究負責人Moon Jeong Park教授表示：“本項研究以低成本、環保的方式合成含豐富膦酸基團的反硫化聚合物，從而開發出一種柔性鋰硫電池。這一發現具有重要意義，因其可在化學上捕獲多硫化鋰，從而解決了洗脫問題，促進商業化進展。”
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