美国范德比尔特大学等开发锂硫电池 每千克硫储能逾1700瓦时

美国范德比尔特大学（Vanderbilt University）与马里兰大学（University of Maryland）的研究团队开发出一种新的锂硫电池化学体系，引入氯元素让硫原子在充放电过程中多交换一个电子，使硫的电荷存储容量提升约58%，平均工作电压从约2.05伏提高到2.54伏。

硫储量丰富、成本相对低廉，按重量计算的储电量远高于锂离子电池正极常用材料，因此被视为正极材料的替代选项之一。但传统锂硫化学体系的工作电压相对偏低，硫的一部分氧化还原能力未能得到利用。

范德比尔特大学化学工程H. Eugene McBrayer讲席教授、化学教授De-en Jiang表示，传统锂硫电池的思路让硫的一部分氧化还原能力闲置，研究团队希望扩展硫的氧化还原能力，用它存储更多能量。在传统锂硫电池中，每个硫原子充放电时只交换两个电子；引入氯之后，这一过程得以延伸，硫可以交换第三个电子。

额外的反应发生在更高电压下，储电容量与电压同步提升，实验电芯中每千克硫可存储逾1700瓦时能量。

要让这一额外反应可逆，还需解决另一个问题：充电时氯要与硫发生作用，同时生成的硫氯化合物不能在电池内迁移并与锂金属电极反应。团队用分子模拟考察锂离子和氯离子在不同电解液中的行为，据此设计出能让氯保持参与硫反应的电解液，并选用了一种硫氯反应产物不易溶解的电解液，使该物质留在正极内部，反应在放电时得以逆转。多种光谱技术随后证实，硫在充放电过程中反复进入这一新获得的化学状态。

研究人员还制作了一个小型单层软包电芯，以验证该化学体系在早期电池研究常用的纽扣电芯之外的表现。该软包电芯在100次充放电循环后，容量保持率为78%。

这项技术仍处于早期验证阶段，原型采用锂金属电极，硫用量相对有限，电解液用量也多于商用电池的理想水平。在将主要电池组件纳入考量、而非只看电极后，研究人员估算该方案可实现477瓦时/千克的电堆级比能量，比研究中用作对照的传统锂硫体系高出约37%。

相关研究成果发表于《自然·能源》（Nature Energy）杂志。