隨著電動汽車、智能手機(jī)的普及，人們對高能、長壽命、快速充電儲能系統(tǒng)的需求也在不斷增加。然而，目前鋰離子電池技術(shù)無法滿足這一需求，研究人員逐漸將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向下一代電池。據(jù)外媒報(bào)道，浦項(xiàng)理工大學(xué)（POSTECH）的研究團(tuán)隊(duì)利用煉油過程中廢棄的硫，可在30分鐘內(nèi)成功合成鋰硫電池正極材料。
該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新鋰硫電池，具有高能量密度和機(jī)械靈活性，并且能夠快速充電。這是首次通過反硫化合成富硫?qū)蛹売行蚬簿畚?。在不使用表面活性劑或立體穩(wěn)定劑的情況下，快速反應(yīng)時(shí)間小于30分鐘。
與目前使用的高毒性過渡金屬基正極材料不同，硫因成本低、天然儲量豐富、毒性少而備受關(guān)注。尤其是鋰硫電池具有很高的理論能量密度（2,600Wh kg-1)和高容量（1672mAh g-1），表現(xiàn)出作為下一代電池的潛力。然而，硫的導(dǎo)電性基本上較低，從而阻礙充分利用活性物質(zhì)，使充放電循環(huán)放緩。另外，這種材料還具有在電解質(zhì)中溶解度高的缺點(diǎn)，從而縮短了電池的使用壽命。
為了克服這些局限性，與傳統(tǒng)硫電極不同，研究團(tuán)隊(duì)沒有采用熔體擴(kuò)散工藝，而是通過硫和乙烯基膦酸（VPA）反硫化法進(jìn)行共聚，僅在30分鐘內(nèi)即可合成硫基聚合物顆粒。所產(chǎn)生的硫顆粒由基于低密度硫同素異形體的相分離α-硫和硫-VPA網(wǎng)狀物 (SVPA) 構(gòu)成。
在短時(shí)間內(nèi)形成大小均勻的層級有序顆粒，關(guān)鍵在于硫自由基與 VPA 之間的自催化反應(yīng)。VPA所連接的長硫鏈在反應(yīng)開始時(shí)形成，以在沒有表面活性劑的情況下穩(wěn)定SVPA的球形形狀。有趣的是，研究表明在SVPA粒子表面會自發(fā)形成皺褶和孔隙，就像人的皮膚一樣，這有助于電解質(zhì)滲透到正極中，同時(shí)也減輕了施加至電極表面的機(jī)械應(yīng)力。
柔性鋰硫電池測試圖
研究人員通過這種方法證實(shí)，在簡單的合成方法的基礎(chǔ)上，可以在活性材料中引入多孔結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)電解質(zhì)滲透，并通過在低體積膨脹的SVPA框架中嵌入硫同素異形體，提高電極的機(jī)械完整性。此外，研究人員通過大量存在于活性材料表面的膦酸官能團(tuán)， 有效地阻止了多硫化鋰洗脫（elution），從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的鋰硫電池性能。這種活性材料本身具有優(yōu)良的彈性，以及作為交聯(lián)聚合物的優(yōu)勢，顯示出作為柔性電極的潛力。
研究負(fù)責(zé)人Moon Jeong Park教授表示：“本項(xiàng)研究以低成本、環(huán)保的方式合成含豐富膦酸基團(tuán)的反硫化聚合物，從而開發(fā)出一種柔性鋰硫電池。這一發(fā)現(xiàn)具有重要意義，因其可在化學(xué)上捕獲多硫化鋰，從而解決了洗脫問題，促進(jìn)商業(yè)化進(jìn)展?！?
