西交利物浦大学科研人员探索锂硫电池性能提升解决方案

近日，西交利物浦大学科研人员一项关于提升锂硫电池性能的研究获得突破，通过使用低成本的原材料，成功合成了具有高导电网络的复合材料，为硫元素在未来能够应用于商业开辟了前景。

这项研究由电气与电子工程系博士生耿显葳在指导老师化学系杨莉博士指导下完成。

“在电池研究领域，针对锂离子和石墨烯的研究已经相对成熟，但对于新型材料的研究才刚刚开始。我们日常所使用到的一些电子产品，以及最近越来越受到重视的新能源汽车，电池的生产大部分会以金属类化合物(如钴酸锂)为主，这些金属类化合物材料进行脱嵌锂作用，从而实现储能。”

“锂硫电池通过氧化还原反应实现充放电，我们的研究希望能探索锂硫电池的性能，以及找到优化它性能的方式。”

（在手套箱里装配电池）

耿显葳表示锂硫电池比传统使用的锂离子电池拥有更多的优点。因为硫元素在大自然中广泛存在，对于开采和提取的过程，成本比较低。最重要的是它拥有较高的理论容量和容量密度。

“理论容量是指在化学反应过程中，通过计算它所生成的一些物质，得到的一个容量数值。能量密度代表的是对外传输，它和理论容量互相依赖，当理论容量数值高的时候，能量密度也同样很高。”耿显葳解释说。

“如果我们只看材料本身，在不计算外包装和电池壳的前提下，把一克的金属类化合物材料和一克的硫进行比较，理想情况下硫的存储电量能够比金属类化合物材料高出七到八倍。”

“用一个最贴近生活的例子来解释存储电量，现在大家的手机可能平均每天冲一次电，但如果能完全利用好锂硫电池的能量，也许手机的电量能够让人们持续使用5天的时间，对于一些有外出活动，或者有工作需求的人来说提供了一种更加便捷的方式。”

在这一研究中，耿显葳和其他小组成员对于解决锂硫电池导电和快速充放电的挑战进行了大量的实验。

（装好的电池在测试柜上测试循环性能）

“我们遇到的首要困难就是硫不导电，导致硫的利用率较低，另一个困难是尝试解决锂硫电池容量衰减快，循环使用性能较差的问题。”

“硫元素的缺点很明显，是一个不导电的物质，所以研究的大方向主要集中在以硫主导的材料设计。我们最后选择用一些含有碳元素的材料例如MXene碳化钛，碳纳米笼等，和硫元素复合在一起，来提升硫的导电性。”

耿显葳解释说因为碳的应用广泛，材料的可获得性比较高，选择碳基材料进行实验，同时也考虑到了对于碳基材料使用的案例也很多，能够给大家提供一些参考。

指导老师化学系杨莉博士对耿显葳在课题研究过程中展现出的学术能力和项目管理能力称赞有加。

对该课题的意义，她补充说：“现在国家对于新能源的市场支持力度在不断的加大，大众的接受度也在逐步提升，我们的这项研究虽然比较基础，但对于锂硫电池性能提升的机制，进行了更加深入的理解和研究，对于推进实现产业化的应用能起到一定的指导作用。”

这项研究已经申请了国家专利，发表在国际知名杂志，希望能通过后续实验，不断优化材料，以实现锂硫电池高性能的目标，最终将研究成果运用到实际的生产中。（记者：王璐谣 编辑：寇博 照片提供：耿显葳，杨莉）