丰田研发新型纳米硫阴极材料 提升锂电池充放电效率

近日，丰田北美研究所(TRINA)的科研小组开发出了一种新型锂电池纳米硫阴极材料，这种材料采用了类似于块菌的结构，其中包括嵌入空心碳纳米球体的硫粒子以及密封柔性叠层(LBL)纳米膜碳导体。

目前TRINA已经在英国皇家化学学会(RSC)《能源与环境科学》期刊中发表了论文。在论文中，研究人员指出，新型纳米硫阴极材料(65%的最终硫载荷)可以在2C高速率条件下工作(1C对应1小时完整充电或放电)，并可完成超过500个充放电循环，库仑效率(即充放电效率)几乎达到100%。

在整个化学反应过程中，由于叠层纳米膜碳导体可以自行组合，因此针对纳米硫阴极材料表面特性而形成布局有序的超分子结构会受到极大影响。具备粘合能力且能够与溶剂发生反应的任何材料(离子或氢键)均可以通过叠层的方式转化为多分子层结构。上述结果表明，对于其它低导电率电池阴极而言，未来这种新型纳米硫阴极材料将成为较为理想的解决方案。

纳米硫阴极材料可以带来高达1672毫安/克的理论容量，这对于下一代电池来说很有吸引力。不过在实际应用中，高电阻、低载荷活性物质以及充放电时电解质中间聚硫化物分解等问题仍然带来了不小的挑战，这些问题会导致库仑效率下降、电池容量损耗加快，同时也会发生自放电现象。

此前，很多科研小组一直在探索采用聚合物电解质、纳米涂层和纳米膜来阻止聚硫化物分解，从而提升锂硫电池的性能。而TRINA研究人员经过多次试验后发现，尽管基于聚合物的电解质可以被用来阻止聚硫化物分解，不过其传导率相比普通基于液体的电解质明显降低，这也使得实现高效的放电率难上加难。

当在复合材料或纳米涂层中使用聚合物后，硫阴极的循环特性有所改善。此外，聚合物可以为硫阴极提供一个在充电和放电之间自由调节容量的弹性框架。与此同时，TRINA科研小组在锂电池纳米硫阴极材料中采用的全新结构也可以抑制中间聚硫化物的分解，减少碳导体生成等问题。