建筑“钢筋混凝土”电池

随着人类对环境保护的重视，新能源汽车可谓发展迅猛。然而，大多数人对电动汽车仍然持怀疑或观望的态度，这主要是由于现阶段商用的锂离子电池能量密度较低，造成电动汽车巡航里程“不给力”，这成为制约新能源汽车发展的主要瓶颈之一。

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在市场需求推动下，更高容量的锂硫电池 “脱颖而出”。锂硫电池，顾名思义，即以单质硫作正极，金属锂作负极的一种新型电池，由于其理论容量为锂离子电池的五倍之多，并且硫原材料来源丰富、价格低廉、低毒无害，使得国内外对锂硫电池的开发产生了浓厚的兴趣，锂硫电池被认为是最具潜力的下一代高能量电池体系之一。

容易自我“耗电”，，让锂硫电池使用时间不长

有利就有弊，锂硫电池也逃不了这个规律。由于在充放电过程中，锂硫电池产生的聚硫化物能溶解于电解液中，随电解液“游”到负极，与负极发生反应（即所谓的“穿梭效应”）。

这一现象使得锂硫电池在充放电过程中，外部放电，内部也跟着“耗电”，导致锂硫电池的寿命远不及锂离子电池。为此科学家们尝试用各种方式把正极产物固定在正极内部，以减少穿梭效应的发生。

从木材中找灵感，建筑“钢筋混凝土”电池

木质素，一种世界上第二丰富的天然有机物，广泛存在于植物的木质部（负责给植物上端运输水和矿物质的组织）中， 木质素纤维就是通过对天然的木材经过一系列的物理化学处理，得到的一种含有木质素的有机纤维。木质素纤维具有优异的化学稳定性，无毒、无害、无污染，属于纯绿色环保的产品，可用于各种材料中充当稳定抗裂剂。

受此启发，中科院青岛能源所先进储能材料与技术研究组的研究人员，将木质素纤维充当锂硫电池正极材料的骨架，并与碳纳米管、石墨烯共同组建了一种类似“钢筋混凝土”结构的锂硫正极材料，该正极材料有较强的柔韧性可以随意折叠弯曲，如图1所示。

图1 “类钢筋混凝土”柔性载硫体极片制备示意图

由于木质素分子内部含有大量的羟基（-OH），能够有效的与锂硫电池正极中间产物中的Li+产生类似氢键（-HO…H）的锂键相互作用（-HO…Li）。正是这种相互作用，使木质素纤维能够很好的捕获游离在电解液中的硫化物，让它老老实实的待在正极。因此，木质素纤维充当“钢筋”，既能稳固正极片结构，同时又能有效地吸附正极反应产生的硫化物。

此外，为了使电子能够更加快速的传输到锂硫电池的正极，研究人员在该柔性极片底部增加一层石墨烯薄膜，从而实现锂硫电池的快速充放电的目的。

基于以上思路，该研究组制备出高性能锂硫电池，其放电容量可接近锂硫电池的理论容量，远高于相关报道的容量；同时该电池表现出优异的循环稳定性，500圈后容量保持率高达86.5%。即使在9.2 mg cm-2高载硫量下（更高的载硫代表更高的能量密度），该柔性极片通过双层叠加的方式，使得锂硫电池依旧保持优异的循环稳定性。

该方法具有简单、易操作，制作成本低等诸多优势，非常适合大规模推广。该工作对提高锂硫电池硫利用率和循环寿命提供了一种新的思路。

来源：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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