Oxis能源公司研发全新锂硫电池助力无人机续航

位于英国阿宾顿的初创公司——Oxis能源公司的研究人员正在利用锂和硫的组合制造电池。和目前用于电动汽车的锂离子电池相比，最新研发的电池每公斤可储存近两倍的能量。不过，它们持续的时间不是很长，在约100次充放电循环后便会失灵。但该公司认为，对于诸如无人机、潜水艇、士兵背负的电源包等用途来说，重量比价格或者寿命更加重要。Oxis的小型试验工厂以年产1万~2万节电池为目标。这些电池会被封装在手机大小的薄袋子中。

这还算不上超级工厂，至少目前不是。但Oxis首席技术官David Ainsworth表示，该公司盯上的是一块更大的“蛋糕”：1000亿美元的电动汽车市场。“未来几年会非常关键。”Ainsworth说，他和其他人视锂—硫电池为锂离子电池的“继承者”并将成为占主导地位的电池技术。

他们受到了一连串最新报告的鼓舞。报告称，此项技术面临的很多性能和耐用性上的挑战都可以被克服。“你会看到很多方面正在取得进展。”美国劳伦斯伯克利国家实验室化学家Brett Helms表示。不过，诸如加拿大滑铁卢大学化学家、锂—硫电池先驱Linda Nazar等人持谨慎态度。她认为，创建既拥有高容量又廉价、轻便、小巧、安全的锂—硫电池“真的是一项艰巨的任务”。改善一个因素通常以牺牲其他因素为代价。“你不可能同时优化所有因素。”Nazar表示。

锂离子电池包含两个电极——阴极和阳极。两者由使锂离子在充电周期来回移动的液体电介质分开。在阳极，锂原子被夹在具有高导电性的碳——石墨层中间。当电池放电时，锂原子放弃电子并且产生电流。由此获得的带正电荷的锂离子移动到电解液中。在为从手机到特斯拉汽车的诸多设备提供动力后，电子最终回到通常由不同金属氧化物混合而成的阴极。在那里，电解液中的正极锂离子“依偎”在已经吸收了穿行电子的金属原子附近。充电逆转了这种分子模式，因为外加电压会推动锂离子摆脱它们的金属宿主并且回到阳极。

金属氧化物阴极是可靠的，但这些通常是钴、镍和锰结合物的金属很昂贵。同时，由于需要两个金属原子“携手”才能固定单个电子，因此这些阴极很重。而这将电池的性能限制在约200瓦时/公斤(Wh/kg)。硫要便宜很多，并且每个硫原子能固定两个电子。理论上，拥有硫阴极的电池能储存500 Wh/kg或者更多。

不过，硫并非电极的理想材料。首先，它是绝缘的：无法将电子传递给从阳极上穿越的锂离子。2009年，一件影响大局的事情发生了：由Nazar领导的研究团队发现，硫可以被嵌入和阳极一样由导电碳构成的阴极。虽然这种方法行得通，但带来了其他问题。像石墨一样的碳形式具有高孔隙度。这增加了电池的整体尺寸，但储存性能并没有增强。这意味着需要更多昂贵的液体电介质填充这些孔隙。更严重的是，当锂离子同硫原子在阴极结合时，它们会发生反应形成被称为聚硫化物的可溶分子。这些分子会漂走，从而使阴极发生降解并且限制充电周期的数量。聚硫化物还会迁移到阳极。在那里，它们会造成进一步的破坏。

如今，各个方面都在获得突破。3个小组在解决阴极出现的问题上取得进步。例如，去年，由Helms领导的研究团队在《自然—通讯》杂志上报告称，他们向碳—硫阴极添加了聚合物层，从而将聚硫化物封装并且使电池在100个充电周期后仍能继续使用。由得克萨斯大学研究人员Arumugam Manthiram领导的另一个团队用仅有单原子厚度的高导电性薄片石墨替代阴极中的石墨。正如他们在今年1月12日出版的《美国化学会能源快报》上所报告的，新的石墨阴极持有的硫是传统石墨阴极的5倍，因此极大地提高了能量储存。最近，由中国厦门大学化学家Nanfeng Zheng领导的团队在《焦耳》杂志上报告称，他们通过在氮掺杂碳粒子上放置薄片聚丙烯，创建了超薄“分离器”。其位于阴极上面，能“捕获”聚硫化物，并将其转化成无害的锂—硫粒子。这增加了电池的能量输出，并且帮助它们在500次充电周期后仍能被继续使用。

阿贡国家实验室能源储存研究联合中心主任George Crabtree 表示，所有这些进展将有助于推动锂—硫电池的进一步发展。“很难说这些是否是将获得成功的最终突破，但我很乐观。” Crabtree说。