美国对电动汽车不断增长的需求揭示了可持续采购电池技术所面临的重大挑战，这是向可再生电力的广泛转变和远离化石燃料所必需的。为了使电池不仅性能优于目前用于电动汽车的电池，而且还由现成的材料制成，德雷克塞尔大学的一组化学工程师找到了一种将硫引入锂离子电池的方法——结果令人震惊。

随着 2021 年全球电动汽车销量翻倍以上，锂、镍、锰和钴等电池材料价格飙升，这些原材料的供应链(其中大部分来自其他国家)因而成为瓶颈。这也将注意力集中在原材料的主要供应商：刚果和中国等国家;并提出了从地球上提取它们对人类和环境的影响的问题。

早在电动汽车激增和电池材料短缺之前，开发商业上可行的硫电池一直是电池行业可持续的高性能白鲸。这是因为硫的天然丰度和化学结构使其能够储存更多的能量。德雷克塞尔工程学院的研究人员最近在《通信化学》杂志上发表了一项突破，提供了一种避开过去抑制锂硫电池的障碍的方法，最终将备受追捧的技术推向了商业范围。

他们的发现是一种生产和稳定在碳酸盐电解质中起作用的稀有形式硫的新方法——碳酸盐电解质是商业锂离子电池中使用的能量传输液体。这一发展不仅将使硫电池在商业上可行，而且它们的容量将是锂离子电池的三倍，并且可以充电超过 4,000 次——相当于使用 10 年——也是一项重大改进。

“多年来，硫一直非常适合用于电池，因为它富含地球并且可以以安全和环保的方式收集，正如我们现在所证明的那样，它还具有改善以商业可行的方式在电动汽车和移动设备中发挥电池的性能，”领导该研究的德雷克塞尔学院化学与生物工程系 George B. Francis 讲座教授 Vibha Kalra 说。

将硫引入具有商业友好碳酸盐电解质的锂电池的挑战是中间硫产物(称为多硫化物)与碳酸盐电解质之间发生不可逆的化学反应。由于这种不良反应，以前在具有碳酸盐电解质溶液的电池中使用硫阴极的尝试导致几乎立即关闭，并且仅在一个循环后电池就完全失效。

Li-S 电池已经在使用醚电解质而不是碳酸盐的实验环境中表现出卓越的性能，因为醚不与多硫化物反应。但这些电池在商业上不可行，因为醚电解质极易挥发，并且其成分的沸点低至 42 摄氏度，这意味着电池温度高于室温可能会导致故障或熔化。

“在过去的十年中，大多数 Li-S 领域采用醚电解质来避免与碳酸盐的不良反应，”Kalra 说。“然后多年来，研究人员通过减轻所谓的多硫化物穿梭/扩散，深入研究了增强醚基硫电池的性能——但该领域完全忽视了醚电解质本身就是一个问题的事实。在我们的工作中，主要目标是用碳酸盐代替醚，但这样做我们还消除了多硫化物，这也意味着没有穿梭，因此电池可以在数千次循环中表现出色。”

Kalra 团队之前的研究也以这种方式解决了这个问题——生产一种碳纳米纤维阴极，通过减少中间多硫化物的运动来减缓醚基锂硫电池中的穿梭效应。但为了改善阴极的商业路径，该小组意识到需要使它们与商业上可行的电解质一起发挥作用。

“拥有一个与他们已经在使用的碳酸盐电解质一起工作的阴极是商业制造商阻力最小的途径，”Kalra 说。“因此，我们的目标不是推动行业采用新的电解质，而是制造一种可以在现有的锂离子电解质系统中工作的阴极。”

因此，为了消除多硫化物的形成以避免不良反应，该团队尝试使用气相沉积技术将硫限制在碳纳米纤维阴极基板中。虽然这个过程没有成功地将硫嵌入纳米纤维网中，但它做了一些非同寻常的事情，当团队开始测试阴极时，这一点就显现出来了。

“当我们开始测试时，它开始运行得很漂亮——这是我们没有预料到的。事实上，我们一遍又一遍地测试它——超过 100 次——以确保我们真的看到了我们认为我们看到的东西，”Kalra 说. “我们怀疑硫阴极会导致反应停止，但实际上表现得非常好，而且它一次又一次地这样做而没有引起穿梭。”

经过进一步调查，研究小组发现，在碳纳米纤维表面沉积硫的过程中——将其从气体变为固体——它以一种意想不到的方式结晶，形成了元素的轻微变化，称为单斜 γ 相硫. 这种不与碳酸盐电解质反应的硫化学相以前只能在实验室的高温下产生，并且只能在油井的极端环境中在自然界中观察到。

“起初，很难相信这是我们所检测到的，因为在之前的所有研究中，单斜硫在 95 摄氏度以下一直不稳定，”化学与生物工程系博士生、合著者 Rahul Pai 说的研究。“在上个世纪，只有少数研究产生了单斜 γ 硫，而且它最多只能稳定 20-30 分钟。但我们在经过数千次充放电循环的阴极中创造了它，而没有性能下降——一年后，我们对它的检查表明化学相保持不变。”

经过一年多的测试，硫正极保持稳定，正如团队报告的那样，它的性能在 4000 次充放电循环中没有下降，这相当于 10 年的正常使用。而且，正如预测的那样，电池的容量是锂离子电池的三倍多。

“虽然我们仍在努力了解在室温下产生这种稳定的单斜晶硫的确切机制，但这仍然是一个令人兴奋的发现，并且可以为开发更可持续和负担得起的电池技术打开许多大门，”Kalra 说。

用硫替代锂离子电池中的阴极将减少对钴、镍和锰的采购需求。这些原材料的供应是有限的，并且在不造成健康和环境危害的情况下不容易提取。另一方面，硫在世界各地随处可见，并且在美国大量存在，因为它是石油生产的废物。

Kalra 建议，拥有一个在碳酸盐电解质中起作用的稳定硫阴极，也将使研究人员能够继续研究锂阳极的替代品——这可能包括更多地球上丰富的选择，如钠。

“摆脱对锂和其他昂贵且难以从地球上提取的材料的依赖是开发电池和扩大我们使用可再生能源的能力的重要一步，”Kalra 说。“开发可行的锂硫电池开辟了许多替代这些材料的途径。”

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