譯海擷英

碳納米管涂層提升電池性能

理論上，以硫?yàn)樨?fù)極的鋰離子電池比目前銷(xiāo)售的可充電電池可存儲(chǔ)更多的能量，這意味著電動(dòng)汽車(chē)和移動(dòng)設(shè)備兩次充電的時(shí)間間隔可相應(yīng)延長(zhǎng)。最近，德克薩斯州的研究人員表明，向電池的某個(gè)元件增加一層碳納米管，取得的能效可與鋰-硫電池相媲美。

與當(dāng)今最好的商業(yè)電池相比，鋰-硫電池可儲(chǔ)存5倍于其的能量。當(dāng)鋰離子電池充放電時(shí)，鋰離子在兩個(gè)電極之間移動(dòng)并通過(guò)外部環(huán)路產(chǎn)生電流。電池負(fù)極容納的鋰離子越多，電池能夠存儲(chǔ)的能量就越多。鋰-硫電池能存儲(chǔ)較多的能量是由于其硫負(fù)極能夠收納并釋放大量的鋰離子。然而，這意味著電池負(fù)極的容量波動(dòng)了80%，這可能造成電池短路并危及安全。更重要的是，在電池的整個(gè)壽命過(guò)程中，鋰離子在負(fù)極與硫反應(yīng)形成多硫化合物。這些化合物通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到陽(yáng)極，將硫從負(fù)極帶走，迅速耗盡電池的能量存儲(chǔ)能力。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校德克薩斯材料研究所的化學(xué)家Arumugam Manthiram采取了不同的方法：在電池負(fù)極和隔膜（作用是阻止電子穿過(guò)而允許離子在正負(fù)極之間自由通過(guò)）間增加了一層碳材料。碳薄膜導(dǎo)電、有彈性并且很牢固，可以阻止多硫化合物的形成。Manthiram的研究小組第一次試圖在負(fù)極和隔膜之間加入一張?zhí)紡?fù)寫(xiě)紙，但卻增加了電池的重量。為了使電池盡量輕便小巧，研究人員決定在常規(guī)電池隔膜上噴涂一層市售多層碳納米管薄膜。

他們將碳納米管懸浮于乙醇溶液中并通過(guò)真空過(guò)濾將碳納米管牽引到隔膜的表面，利用干燥后的隔膜制備小型電池用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。研究人員通常將碳與絕緣體——硫混合來(lái)增加陰極的導(dǎo)電性，但此舉會(huì)降低電池的存儲(chǔ)容量。由于碳納米管的導(dǎo)電性很強(qiáng)，研究人員可以在電池中使用約為其總重量65%的硫。高含量的硫使電池的放電量達(dá)1324（m·Ah）/g，接近于鋰-硫電池的理論存儲(chǔ)容量。重要的是，電池的存儲(chǔ)容量不會(huì)隨著時(shí)間的推移而衰減。Manthiram指出：“對(duì)實(shí)驗(yàn)室電池來(lái)講，我們制備的電池性能相當(dāng)不錯(cuò)，而且涂層工藝成本較低，易于實(shí)施?！痹撲?硫電池只通過(guò)了300次充放電循環(huán)測(cè)試，真正商用電池需通過(guò)幾千次的充放電循環(huán)。

同樣研究鋰-硫電池的亞利桑那州立大學(xué)化學(xué)家Jeffrey Pyun對(duì)此評(píng)價(jià)道：“這是一項(xiàng)基于工藝、有趣的處理方法，可以改善鋰-硫電池的性能而不需要合成用作電極或電解質(zhì)的新材料?！贝送?，他還強(qiáng)調(diào)必須考慮碳納米管的成本。Manthiram認(rèn)為如果使用碳納米管這一特殊材料，可能會(huì)產(chǎn)生成本問(wèn)題，但是應(yīng)該有可能找到一種成本低廉的碳材料來(lái)制備碳膜涂層。