日本制成全固态锂硫电池 比传统锂离子二次电池的能量密度高4倍

据外媒报道，日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）电气与电子信息工程系的一组科学家采用一种低成本的简单液相法合成了一种活性含硫材料和碳纳米纤维（CNF）复合材料。研究人员采用液相法制成了硫-CNF复合材料，再制成了全固态锂硫电池，与锂离子二次电池相比，其放电容量更高、循环稳定性更好。因此，未来，此类固态锂硫电池将能够用于电动汽车等。

去年获得诺贝尔化学奖的锂离子二次电池已被广泛应用于智能手机、电动汽车等领域。近年来，由于混合动力汽车和电动汽车的数量增加，全固态电池作为下一代电池也受到了关注。特别是全固态锂硫电池的能量密度是传统锂离子二次电池的5倍，因而其备受关注。不过，硫是一种绝缘体，因此限制了其应用于电池设备。为了解决该问题，硫必须配备能够传导离子和电子的路径。

该研究小组就提出了一种将含硫活性材料与碳纳米纤维（CNF，由静电组装法制备而成）结合而成的阴极复合材料，此种碳纳米纤维能够在溶液中与其他材料均匀结合。采用硫-CNF复合材料和电化学稳定液相法合成的Li2S-P2S5-LiI固体电解质制备了全固态锂硫电池，该电池的放电容量与硫的理论容量相当，在多次充放电循环后仍保持较高容量。

研究人员解释了该电池的特点：“为了制出高性能的全固态锂硫电池，需要将适量的含硫活性材料与适量的碳材料相结合。一般而言，硫碳复合材料通过机械混合、特殊有机溶液液体混合以及复杂法（硫与具有高比表面积的多孔碳材料相结合）合成。不过，几乎没有报道说全固态锂硫电池的容量可以与硫的理论容量几乎相当，循环稳定性也高。所以，我们致力于采用一种低成本的简单静电吸附法，将纳米材料均匀地结合在一起，制成硫碳复合材料。研究也证实了采用静电吸附法合成的硫碳复合材料能够以片状形式在碳纳米纤维上积累，最终我们打造了全固态锂硫电池，而且发现硫作为一种活性材料得到充分地利用。另一个优点是，此种硫碳复合材料的生产成本比传统工艺制成成本低。”

静电吸附法利用聚合电解质调整颗粒物表面的电荷，使较大的母颗粒物与较小的颗粒物能够利用静电吸附在一起，从而引发静电作用。虽然之前有过利用静电吸附法设计各种陶瓷复合材料的报道，但是很难调节硫表面的电荷。不过，该研究小组利用化学反应，成功调整了电荷，在该化学反应中，硫化钠（Na2S）与硫（S）在离子交换水中反应，形成了水溶性Na2S3。所以，该研究应用静电吸附的基本原理，实现了一种新型化学工艺。

该方法能够制备硫碳复合材料，成本低且相对简单，适合用于大规模生产。采用含硫活性材料制成的全固态锂硫电池将得到实际应用，预计电动汽车、家用和商用大型电源电池的能量密度也将呈指数级增长。（文中图片均来自phys.org）