近期，韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)新材料工程學(xué)系金都京(音譯)教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種全新的鋰-硫二次電池電極材料，可以抓取碳素纖維之間的硫，這類似于毛細(xì)管對水的吸收現(xiàn)象。此次研究是EEWS研究中心的氣候變化研究核心業(yè)務(wù)，也是韓國研究財(cái)團(tuán)的中堅(jiān)研究支持業(yè)務(wù)。這種鋰-硫電池具有低重量和高容量的優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)商用化，這一研究成果已經(jīng)刊登于國際學(xué)術(shù)雜志《Nano Letter》2018年的第18期。

近年來，隨著電動汽車和大容量能源儲存系統(tǒng)(ESS)需求的迅猛增長，能量密度更高的二次電池開發(fā)也勢在必行。鋰-硫電池作為第二代高容量鋰離子電池備受矚目，從理論上講，與鋰離子電池相比，能量密度高出了約6倍以上。不過，硫的電導(dǎo)率較低，在充電和放電的過程中也會發(fā)生體積變化，鋰的多硫化物中間相作為電解質(zhì)熔化而排出，這阻礙了鋰-硫電池的商用化。

為了解決這一問題，將多孔碳粉末包裹硫，由此提高了導(dǎo)電率，減小了體積變化，從而阻止了多硫化物的熔化，這就是硫-碳電極的開發(fā)目標(biāo)。不過，這樣球形的零維碳粉末在粒子間會生成無數(shù)個(gè)接觸電阻，也會使得包裹硫的過程變得更為困難，必須采用高分子粘合劑進(jìn)行粒子間的連接。 為了克服現(xiàn)有碳材料的缺點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)通過電噴射制作出大量的一維形態(tài)的碳纖維，固體硫粉末被泥漿(固體和液體混合物或細(xì)微固體粒子在水中的懸濁液)打濕后干燥，從而開發(fā)出接觸電阻大幅減少的硫-碳電極。

研究團(tuán)隊(duì)通過掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)固態(tài)硫通過電化學(xué)反應(yīng)變成了液態(tài)鋰多硫化物的中間產(chǎn)物，這與紙張對水的吸收非常類似，這些碳纖維粒子之間實(shí)現(xiàn)了連接，在充電和放電過程中都可以保持這種狀態(tài)，也不會發(fā)生熔化。因此，在沒有包裹硫的情況下，碳纖維粒子之間也實(shí)現(xiàn)了有效閉合。現(xiàn)有的研究成果中，單位面積的硫含量僅在2mg/cm2以下，而此次研究的單位面積的硫含量超過了10mg/ cm2，單位面積容量達(dá)到了7mAh/ cm2，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有鋰離子電池單位面積容量1~3mAh/ cm2的水平。

與現(xiàn)有的電極制造方式完全不同，在金屬蓄電體上涂上電極物質(zhì)，電極的結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，此舉將有利于拓寬未來鋰離子電池的研究范圍。這項(xiàng)研究成果標(biāo)志著高容量鋰-硫電池的開發(fā)又邁進(jìn)了一步，未來還有望應(yīng)用于電動汽車和無人飛機(jī)。