硫阴极为能量储存设定了世界纪录

世界纪录 - 电池性能

通过用纳米多孔层的硬钛二氧化钛涂覆硫磺制造蛋白质 - 壳纳米颗粒,然后使用溶剂将一些硫溶解在将壳体脱落到位。点击查看更多。(信誉:Zhi Wei Shi,Stanford大学)

Using a sulfur cathode made of nanoparticles where each tiny sulfur nugget is surrounded by a hard shell of porous titanium dioxide, researchers at Stanford University designed a cathode that can store five times more energy than today’s commercial technology and set a world record for energy storage along the way.

SLAC和Stanford科学家已经为能量存储设定了世界纪录,使用巧妙的“蛋黄壳”设计来存储比当今商业技术的可充电锂离子电池的硫阴极中的5倍。在1,000个充电/放电循环后,阴极也保持高水平的性能,为便携式电子和电动车辆使用的新一代的更轻,更持久的电池铺平了途径。

该研究由斯坦福材料科学与工程副教授和斯坦福材料和能源科学研究所的斯坦福大学副教授,斯坦福大学联合研究所担任研究。团队报告其在自然通信中的结果

锂离子电池通过在两个电极,阴极和阳极之间来回移动锂离子。充电电池迫使离子和电子进入阳极,产生可以为各种设备供电的电位。放电电池 - 使用它进行工作 - 将离子和电子移动到阴极。

当今的锂离子电池通常在500次充电/放电循环后保留其初始容量的约80%。

大约20年来,研究人员已知硫理论上可以储存更多的锂离子,从而比今天的阴极材料更多的能量。但两个临界缺点阻止了其商业用途:当锂离子进入硫磺阴极时,它们与硫原子粘合以产生对阴极性能很重要的中间体化合物;但这种化合物保持溶解,限制了阴极的储能能力。与此同时,离子的涌入使阴极膨胀约80%。当科学家施加防护涂层以保持中间化合物溶解时,阴极会膨胀并裂开涂层,使其无用。

阴极制造的纳米颗粒

以前尝试使用裸硫或简单涂覆的颗粒制备硫阴极不能阻止能量储存能力的显着降低作为在充电期间产生的锂 - 硫中间体化合物(多硫化物)突破并溶解外。点击全映像。(信誉:Zhi Wei Shi,Stanford大学)

Cui的创新是由纳米颗粒制成的阴极,每个阴极都是由多孔二氧化钛的硬壳包围的微小硫矿,就像蛋壳中的蛋黄一样。在蛋黄和贝壳之间,蛋白是蛋白质的,是硫可以扩张的空间。在排出期间,锂离子通过壳并与硫结合,这膨胀以填充空隙,但不如破坏壳。同时,壳体保护硫 - 锂中间体化合物免受溶解它的电解质溶剂。

每个阴极颗粒直径仅为800纳米(亿米),大约一百百次人头发的直径。

“它在我们第一次尝试时基本上工作了,”崔说。“硫阴极的硫磺量高于当今的商业材料的每种硫重量的5倍。

“在1,000个充电/放电循环之后,我们的蛋黄壳硫阴极保留了其能量储存能力的约70%。据我们所知,这是世界上最高的硫磺阴极,“他说。“即使没有优化设计,这种阴极循环寿命已经存在于商业性能。这是对可充电电池未来的一个非常重要的成就。“

Funding for the project came from the DOE Office of Basic Energy Sciences through SLAC’s Laboratory Directed Research and Development Program, which directs a percentage of the lab’s funding to high-risk, high-payoff research that, if successful, can lead to future program opportunities.

在过去的七年中,崔的集团已经展示了使用硅而不是碳的越来越有力的含羞芯,因为它可以每重量存储多达10倍的电荷。他们最近的阳极还具有蛋黄壳设计,可保持其能量存储容量超过1,000充电/放电循环。

本集团的下一步是将蛋黄壳硫阴极与yolk-shell硅阳极相结合,看看它们是否一起产生高能,长持久的电池。

图片:Zhi Wei Shi,Stanford大学

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