旅行汽车网SLAC和斯坦福大学的科学家通过巧妙的“蛋壳”设计在可充电锂离子电池的硫阴极中存储的能量是当今商业技术的五倍，创下了能量存储的世界纪录。在经过1,000次充电/放电循环后，阴极还保持了较高的性能水平，为用于便携式电子产品和电动汽车的新一代更轻，寿命更长的电池铺平了道路。
这项研究是由斯坦福大学材料科学与工程学副教授，SLAC /斯坦福大学斯坦福大学材料与能源科学研究所的成员Yi Cui领导的。该小组于1月8日在Nature Communications上报告了其结果。
硫阴极问题
锂离子电池通过在两个电极（阴极和阳极）之间来回移动锂离子来工作。给电池充电会迫使离子和电子进入阳极，从而产生可以为各种设备供电的电势。给电池放电（使用它进行工作）会将离子和电子移动到阴极。经过500次充电/放电循环后，当今的锂离子电池通常可保留其初始容量的80％。
研究人员已经知道20年来，硫在理论上比今天的正极材料可以存储更多的锂离子，因此可以存储更多的能量。但是有两个严重的缺点阻止了它的商业使用：当锂离子在放电过程中进入硫阴极时，它们会与硫原子键合，形成对阴极性能至关重要的中间化合物；但是这种化合物一直在溶解，限制了阴极的储能能力。同时，离子的流入导致阴极膨胀约80％。当科学家应用保护性涂料以防止中间化合物溶解时，阴极会膨胀并破裂，从而使涂料无用。
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鸡蛋精解决方案
Cui的创新之处在于，它是由纳米粒子制成的阴极，每个阴极都是一个微小的硫核，被多孔的氧化钛硬壳包围，就像蛋壳中的蛋黄一样。在蛋黄和蛋壳之间，是一个可以让硫磺膨胀的空的空间。在放电过程中，锂离子穿过壳体并与硫结合，硫会膨胀以填充空隙，但不会破坏壳体。同时，该壳保护了硫锂中间化合物免受电解质溶剂的溶解。
每个阴极粒子的直径只有800纳米（十亿分之一米），大约是人类头发直径的一百倍。
卵黄壳纳米颗粒的制备方法是，在硫上覆盖一层硬质二氧化钛，然后用溶剂溶解掉一些硫，同时将壳保留在原位。每个阴极粒子的直径只有800纳米（十亿分之一米），大约是人类头发直径的一百倍。
“它在我们第一次尝试时就基本起作用了，”崔说。“硫磺阴极每单位重量的能量存储量是当今商业材料的五倍。
“经过1,000次充电/放电循环后，我们的蛋黄壳硫阴极保留了约70％的储能能力。据我们所知，这是世界上性能最高的硫阴极。”他说。“即使不优化设计，这种阴极循环寿命也已经可以与商业性能相提并论。对于可充电电池的未来，这是非常重要的成就。”
先前使用裸硫或简单涂覆的颗粒制造硫阴极的尝试无法阻止储能能力的急剧下降，因为在充电过程中产生的锂-硫中间化合物（多硫化物）会释放并溶解掉。
该项目的资金来自美国能源部基础能源科学办公室，通过SLAC的实验室指导研究与开发计划进行，该计划将实验室资金的一部分引向高风险，高回报的研究，如果成功，则可以带来未来的计划机遇。
在过去的七年中，Cui的研究小组展示了一系列功能越来越强大的阳极，这些阳极使用硅而不是碳，因为它可以存储每单位重量10倍的电荷。他们最近的阳极还具有蛋黄壳设计，可在1000个充电/放电循环中保持其储能能力。
该小组的下一步是将蛋黄壳硫阴极与蛋黄壳硅阳极结合起来，看看它们是否能共同生产出高能量，持久的电池。
