【前沿】石墨烯复合薄膜可提高锂硫电池的循环寿命

  随着锂离子电池开始达到其容量极限，许多研究人员将研究重点转移到了锂硫电池上。锂硫电池相对于锂离子电池具有非常高的理论能量容量。然而，现有的锂硫电池技术在经过多个充放电循环后容量损失比较大。

 与传统锂离子电池相比，锂—硫电池有着重要的优势：材料价格更低廉、质量更轻。质量相等的锂—硫电池，能量却相当于锂离子电池的两倍，这一能量密度在便携电子设备和电动车领域非常关键。

 提高能量密度在交通运输和能源制造领域对降低能源储存成本、减少温室气体排放均非常重要。然而，经过多次充放循环之后，锂—硫电池就会逐渐不稳定，两个电极会发生故障，这一问题使其很难登上能量储存的“王座”。尤其是锂离子会与硫发生化学反应，会形成迁移和降低电池储存能力的化合物。

“当这发生时，它们在表面形成阻碍，阻止锂与阴极接触。”美国耶鲁大学化学教授Victor Batista说。

在3月20日发表于美国《国家科学院院刊》的一篇文章中，耶鲁大学教授Batista和合作者展示了一种复合薄膜，可以让锂—硫电池寿命显著增加。

 研究人员首先模拟了哪种材料和结构能够让锂—硫电池寿命更长，并计算了阴极中的分子如何与不同材料发生反应。该团队随后利用石墨烯（单原子密度的碳结构）和一种有机聚合物（拥有像树枝一样的结构）制成了薄膜。结果表明，该薄膜平均厚度为90纳米。

 该薄膜可让锂—硫混合物处于一个地方，并组织它们流向电解质，使电池性能下降。通过这一机制，科学家表明它们能够在不让锂—硫电池性能打折扣的情况下，延长其循环使用的寿命。“最妙的地方是用这些材料，我们能够用极少量的薄膜制作出具有稳定性的电池。”Batista说。

 该论文共同作者、耶鲁大学能源科学研究所博士后Jianbing Jiang强调，这种混合薄膜是由商业上可获得的基本材料做成的，这使其价格低廉，易于大规模使用。