僅需12分鐘即可充滿電!科學家研發出下一代鋰硫電池

2025年01月15日13:10:32 科學 9219

jong-sung yu教授的團隊開發了一種摻氮多孔碳材料,可以提高鋰硫電池的性能,實現快速充電(12分鐘)和長期穩定性(1000次循環後容量保持率為82%)。這一突破可能會加速電池的商業化。

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由dgist能源科學與工程系的jong-sung yu教授領導的一個研究小組在kunwoo lee的領導下開發了一項突破性的技術,大大提高了鋰硫電池的充電速度。該團隊引入了一種創新的氮摻雜多孔碳材料,以克服阻礙鋰硫電池商業化的緩慢充電限制。

鋰離子電池雖然對電動汽車等環保技術至關重要,但由於其有限的儲能能力和高生產成本,面臨著挑戰。相比之下,鋰硫電池已經成為一種有前途的替代品,它提供更高的能量密度,並受益於硫作為關鍵材料的可負擔性。然而,它們的商業可行性受到快速充電過程中硫利用效率低下的阻礙,導致電池容量降低。

鋰硫電池發展面臨的挑戰

另一個問題是在放電過程中產生的多硫鋰化物。這些化合物在電池內部遷移,降低了電池的性能。為了解決這個問題,研究人員一直在開發將硫納入多孔碳結構的電池。然而,它們還沒有達到適合商業化的性能水平。

為了解決這些挑戰,yu教授的團隊合成了一種新型的摻雜氮的高石墨、多孔碳材料,並將其應用於鋰硫電池的陰極。這項技術即使在快速充電條件下也能成功地保持高能量容量。

先進碳材料的合成

新開發的碳材料採用鎂和zif-8熱還原法合成。

zif-8是金屬離子與有機配體配合形成的金屬-有機骨架(mof)。它的特點是其高的熱穩定性和化學穩定性,以及其獨特的多孔結構。

在高溫下,鎂與zif-8中的氮發生反應,使碳結構更加穩定和堅固,同時產生多樣化的孔隙結構。這種結構不僅允許更高的硫負荷,而且還改善了硫和電解質之間的接觸,顯著提高了電池性能。

本研究開發的鋰硫電池,採用簡單鎂輔助熱還原法合成的多功能碳材料作為硫主體。即使在12分鐘的快速充電條件下,這種電池的容量也達到了705 mah g⁻¹,是傳統電池的1.6倍。此外,碳表面的氮摻雜有效地抑制了鋰多硫化物的遷移,即使在1000次充放電循環後,電池仍能保持82%的容量,表現出優異的穩定性。

在研究過程中,由阿貢國家實驗室的哈利勒·阿明博士領導的合作小組進行了先進的顯微鏡分析。這些分析證實,硫化鋰(li₂s)是在新開發的碳材料的層狀結構中以特定的方向形成的。這一發現驗證了氮摻雜和多孔碳結構增強了硫負載,而碳的石墨性質加速了硫反應,從而提高了充電速度。

jong-sung yu教授表示:「此次研究的重點是利用鎂的簡單合成方法,提高鋰硫電池的充電速度。我們希望這項研究能加速鋰硫電池的商業化。」


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