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最新研究表明，未來電池的充放電次數(shù)或?qū)⒃黾又辽僖槐丁?br />
據(jù)外媒12月15日消息，澳大利亞阿德萊德大學(xué)（University of Adelaide）的研究人員

近日在硫電池技術(shù)方面取得重大進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》雜志上。

據(jù)該大學(xué)能源與催化材料中心主任喬世璋教授介紹，研究人員設(shè)計(jì)了一種全新的高效電極材料，來催化電池反應(yīng)并提高金屬硫電池的耐用性。

他表示，金屬硫電池具有低成本和高能量密度的特點(diǎn)，是下一代儲(chǔ)能設(shè)備的主要選項(xiàng)之一。然而，該類電池的循環(huán)耐久性普遍較差，可以充電的次數(shù)有限。研究人員針對(duì)該問題進(jìn)行了改進(jìn)，他們所設(shè)計(jì)的新型硫金屬電池充放電次數(shù)可達(dá)10000次。

在相同重量的情況下，金屬硫電池存儲(chǔ)的能量可達(dá)目前一代鋰離子電池的2倍以上。其中，鈉硫電池的成本更是比鋰離子電池便宜數(shù)倍，使用的材料也具有環(huán)保性，未來可能成為電動(dòng)汽車以及手機(jī)、筆記本電腦等電子產(chǎn)品供電的主流能源。

隨著能源轉(zhuǎn)型的加速，未來電池的需求量將不斷加大。該研究為新一代金屬硫電池的開發(fā)提供了新的可能性，有助于在確保能源安全可靠的同時(shí)，進(jìn)一步降低能源成本。

“這些基礎(chǔ)研究進(jìn)展將有助于提升高性能金屬硫電池的合理設(shè)計(jì)，并促進(jìn)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。”喬世璋預(yù)計(jì)，“在研究成果的支持下，金屬硫電池有望在5-10年內(nèi)成為儲(chǔ)能行業(yè)的可行方法，無論是從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上來看。”

金屬硫電池是一種以硫?yàn)檎龢O、以金屬為負(fù)極的電池。而鈉硫電池（NaS）是金屬硫電池的一種，具有體積小、容量大、壽命長、效率高等特點(diǎn)。雖然目前的技術(shù)水平下，鈉硫電池能量密度只能達(dá)到150-240瓦時(shí)/千克，但理論上鈉硫電池能量密度最高可達(dá)760瓦時(shí)/千克。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021-2025年金屬硫電池行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，由于金屬硫電池正極材料硫的理論比容量高，負(fù)極材料需要采用同樣高容量的金屬，主要有鋰、鈉、鋁、鎂等，電解液一般采用可良好溶解中間反應(yīng)產(chǎn)物的醚類。

目前，學(xué)界對(duì)金屬硫化物電沉積和動(dòng)力學(xué)機(jī)理的基本認(rèn)識(shí)有限。硫陰極中的金屬硫化物電沉積緩解了多硫化物的穿梭效應(yīng)，從而在二次金屬硫電池中實(shí)現(xiàn)高庫侖效率。基于此，喬世璋教授研究團(tuán)隊(duì)使用室溫鈉硫電池作為模型系統(tǒng)，提出了一種Mo5N6陰極材料，可以顯著催化硫化鈉（Na2S）電沉積，并提高鈉硫電池的性能。


Mo5N6、MoN和Mo2N的原子和電子結(jié)構(gòu)表征與喬世璋團(tuán)隊(duì)從陰極材料著手的研究方向不同，美國的一支研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整電解液的組成改善了鈉硫電池的性能，能在歷經(jīng)300次充放電后保持性能穩(wěn)定。此前，美國科學(xué)家在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上發(fā)表論文稱，他們研制出了一種新式鈉硫電池。通過調(diào)整電解液的組成防止硫溶解，解決了鈉電池普遍面臨的穿梭和枝晶等問題，讓電池的壽命更長、安全性更高。

研究人員解釋稱，在以前的鈉硫電池電解液中，由硫形成的中間化合物會(huì)溶解在電解液中，并在電池內(nèi)的兩個(gè)電極之間穿梭，導(dǎo)致材料損失、部件退化和枝晶形成。而他們調(diào)配的新電解液采用惰性（不參與化學(xué)反應(yīng)）溶劑稀釋濃鹽溶液，從而使電解液保持“半溶解”狀態(tài)。

該研究負(fù)責(zé)人、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校材料研究所所長阿魯姆甘·曼提拉姆教授說：“鈉和硫含量豐富，對(duì)環(huán)境無害，而且成本更低，鈉硫電池堪稱一種‘夢(mèng)想電池’。”

目前市面上主流的鋰離子電池正面臨原材料漲價(jià)、供應(yīng)鏈不穩(wěn)定的瓶頸。其主要材料鋰和鈷不僅儲(chǔ)量短缺，而且開采過程會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，包括使用大量地下水、污染土壤和水源、碳排放高等。而鈉硫電池的主要材料鈉和硫易得性更強(qiáng)，價(jià)格較低的同時(shí)也更環(huán)保。地球上鈉元素的含量是鋰元素的400多倍，且鈉離子可以從海洋中提取。如果未來鈉電池可以在一定程度上替代鋰電池，那么電動(dòng)汽車及其他電子產(chǎn)品的價(jià)格都會(huì)顯著下降。

雖然鈉硫電池具有多方面的優(yōu)勢(shì)，但兩個(gè)明顯的缺陷阻礙了“夢(mèng)想電池”走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。一方面，鈉硫電池的原材料易燃，存在安全隱患；另一方面，由于常溫下的硫?qū)щ娦暂^差，導(dǎo)致其對(duì)使用環(huán)境的溫度要求苛刻。正因如此，研究能在室溫下工作的鈉電池一直是研究人員努力的方向。

目前，鈉硫電池的應(yīng)用主要集中在固定場(chǎng)景下的儲(chǔ)能領(lǐng)域，包括削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等，全球已有上百座鈉硫電池儲(chǔ)能電站在運(yùn)行。 

原標(biāo)題：金屬硫電池可充放電1萬次：5-10年內(nèi)有望成為儲(chǔ)能新方式