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豐田研發新型鋰電池納米硫陰極材料 提升充放電效率
近日，豐田北美研究所(TRINA)的科研小組開發出了一種新型鋰電池納米硫陰極材料，這種材料采用了類似于塊菌的結構，其中包括嵌入空心碳納米球體的硫粒子以及密封柔性疊層(LBL)納米膜碳導體。
目前TRINA已經在英國皇家化學學會(RSC)《能源與環境科學》期刊中發表了論文。在論文中，研究人員指出，新型納米硫陰極材料(65%的最終硫載荷)可以在2C高速率條件下工作(1C對應1小時完整充電或放電)，并可完成超過500個充放電循環，庫侖效率(即充放電效率)幾乎達到100%。
在整個化學反應過程中，由于疊層納米膜碳導體可以自行組合，因此針對納米硫陰極材料表面特性而形成布局有序的超分子結構會受到極大影響。具備粘合能力且能夠與溶劑發生反應的任何材料(離子或氫鍵)均可以通過疊層的方式轉化為多分子層結構。上述結果表明，對于其它低導電率電池陰極而言，未來這種新型納米硫陰極材料將成為較為理想的解決方案。
納米硫陰極材料可以帶來高達1672毫安/克的理論容量，這對于下一代電池來說很有吸引力。不過在實際應用中，高電阻、低載荷活性物質以及充放電時電解質中間聚硫化物分解等問題仍然帶來了不小的挑戰，這些問題會導致庫侖效率下降、電池容量損耗加快，同時也會發生自放電現象。
此前，很多科研小組一直在探索采用聚合物電解質、納米涂層和納米膜來阻止聚硫化物分解，從而提升鋰硫電池的性能。而TRINA研究人員經過多次試驗后發現，盡管基于聚合物的電解質可以被用來阻止聚硫化物分解，不過其傳導率相比普通基于液體的電解質明顯降低，這也使得實現高效的放電率難上加難。
當在復合材料或納米涂層中使用聚合物后，硫陰極的循環特性有所改善。此外，聚合物可以為硫陰極提供一個在充電和放電之間自由調節容量的彈性框架。與此同時，TRINA科研小組在鋰電池納米硫陰極材料中采用的全新結構也可以抑制中間聚硫化物的分解，減少碳導體生成等問題。
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