锂电池复合阴极的研制

麻省理工学院和中国的研究人员已经开发出锂电池关键组件的新版本:阴极。这项研究是开发更小、更轻、续航时间更长的电池的广泛研究的一部分。

研究小组将他们的概念描述为“混合”阴极，因为它结合了之前使用过的两种不同方法的各个方面，一种是增加每磅能量输出(重力能量密度)，另一种是增加每升能量(体积能量密度)。他们说，这种协同作用的结合产生了一种既能提供两者的好处，又能提供更多好处的版本。

今天的锂离子电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的阴极(电池中两个电极中的一个)，但由硫制成的阴极电池被认为是减轻重量的一种有前途的选择。如今，锂硫电池的设计者面临着一个权衡。

这种电池的阴极通常用两种方法之一制造，称为插入式或转换式。插层类型，使用的化合物如钴酸锂，提供了一个高的体积能量密度-包装大量的冲孔每体积，因为他们的高密度。这些阴极可以在将锂原子纳入其晶体结构的同时保持其结构和尺寸。

另一种阴极方法，称为转化型，使用硫进行结构转化，甚至暂时溶解在电解质中。“理论上，这些电池具有非常好的重量能量密度，”李说，“但体积密度很低，”部分原因是它们往往需要大量额外的材料，包括过量的电解质和碳，用于提供导电性。

在混合系统中，研究人员成功地将这两种方法结合成一种新的阴极，该阴极结合了一种称为Chevrel-phase的硫化钼和纯硫，两者结合在一起似乎提供了两者的最佳方面。他们使用这两种材料的颗粒并将其压缩制成固体阴极。

麻省理工学院核科学与工程及材料科学与工程教授Ju Li说:“这就像炸药中的底火和TNT，一个是速效的，另一个是单位重量能量更高的。”

李说，除其他优点外，复合材料的导电性相对较高，从而减少了对碳的需求并降低了整体体积。他说，典型的硫阴极由20%到30%的碳组成，但新版本只需要10%的碳。

使用这种新材料的净效果是可观的。今天的商用锂离子电池的能量密度可以达到每公斤250瓦时和每升700瓦时，而锂硫电池的能量密度最高可达每公斤400瓦时，但每升只有400瓦时。李说，新版本的初始版本尚未经过优化过程，已经可以达到每公斤360瓦时以上，每升581瓦时以上。就这些能量密度的组合而言，它可以击败锂离子电池和锂硫电池。

李说，随着进一步的工作，“我们认为我们可以达到每公斤400瓦时和每升700瓦时”，后者的数字与锂离子电池的数字相当。该团队已经比许多旨在开发大规模电池原型的实验室实验更进了一步:他们不再测试容量仅为几毫安小时的小型硬币电池，而是生产出容量超过1000毫安小时的三层袋状电池(电动汽车等产品电池的标准亚单元)。这与一些商用电池相当，表明新设备确实符合其预测的特性。

到目前为止，这种新电池的寿命还不能完全达到锂离子电池的寿命，因为它可以在失去太多电力之前进行充放电循环的次数。但这种限制“不是阴极的问题”;这与电池的整体设计有关，“我们正在努力，”李说。即使在目前的早期形式中，“这可能对一些利基应用有用，比如远程无人机”，在这些应用中，重量和体积比寿命更重要。

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。查看更多控制工程能源效率的故事。

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