理论与实验的结合：建立一种新型聚合物锂硫电池

【概要】研究人员发现，与传统的锂硫电池相比，经过100次以上的充电循环后，新型锂硫电池的容量尚能提高一倍。

【图注】此图展示锂硫电池单元循环过程中复杂离子簇的形成。这些离子簇由阳离子聚合物粘合剂，电池电解质和阴离子硫活性材料组成。

锂硫电池是替代电动汽车中普通锂离子电池极具前景的候选者，因为它们更便宜，重量更轻，并且可以为相同质量条件下储存近两倍的能量。但是，随着时间的推移，锂硫电池变得不稳定，电极变差，限制了其广泛采用。

近期，由美国能源部 Lawrence Berkeley 国家实验室科学家所领导的研究小组发现，与传统锂硫电池相比，新型锂硫电池组件的容量翻倍，并在高电流密度下的充电周期超过100次，这是电动汽车（EV）和航空领域采用的关键性能指标。他们通过设计一种新聚合物粘结剂来积极调节锂硫电池中的关键离子传输过程，并展示了它在分子水平上如何发挥作用。

Lawrence Berkeley 实验室分子铸造研究所的科学家Brett Helms说：“新聚合物就像一面墙。硫磺负载在碳主体的孔隙中，然后由聚合物密封，由于硫磺参与电池的化学反应，聚合物阻止带负电荷硫化合物游离出去，进而产生了下一代电动汽车”。

当锂硫电池储存和释放能量时，化学反应产生可移动的硫分子，与电极断开连接，导致分解并最终降低电池的容量。为了使这些电池更加稳定，研究人员一直努力开发用于电极的保护涂层，并且开发新的聚合物粘合剂将电池组件粘合在一起。这些传统粘合剂旨在控制或减轻电极的膨胀和开裂，新的粘合剂则更进一步。来自 Lawrence Berkeley 实验室分子铸造研究中心的研究人员设计了一种聚合物，通过选择性地结合硫分子，将硫保持在靠近电极的位置，抵消其迁移的倾向。

下一步是了解在充电和放电过程中以及在不同充电状态下可能发生的动态结构变化，指导铸造理论设施的David Prendergast和理论设施项目的科学家Tod Pascal建立了一个模拟测试聚合物行为的假设。Prendergast说：“我们现在可以可靠而高效地对这些粘合剂中的硫化学进行建模，基于从溶解的含硫产品详细量子力学模拟。

他们在 Lawrence Berkeley 实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）的超级计算资源上进行的大规模分子动力学模拟证实，该聚合物具有结合移动硫分子的亲和力，并且还预测该聚合物可用于在电池的不同充电状态下结合不同的硫物质。利用 Lawrence Berkeley 实验室的高级光源和阿贡国家实验室的电化学实验室进行的实验证实了这些预测。

研究小组进一步研究了新型聚合物粘合剂制备的锂硫电池的性能。通过一系列实验，他们能够分析和量化聚合物如何影响硫阴极中的化学反应速率，这是实现这些电池的高电流密度和高功率的关键。通过长期循环使电池的电容量增加近一倍，新型聚合物提高了锂硫电池的容量和功率。美国能源部能源储存研究联合中心（JCESR）对新型聚合物的合成，理论和特性的综合理解使其成为原型锂硫电池的关键组成部分。