斯坦福大学利用两亲聚合物优化锂硫电池阴极

    锂硫电池与现在市场主流的锂电池相比，有着许多明显的优势，具有电池能量密度大、造价低的特点。然而，锂硫电池的随着充放电次数的增加其容量衰减情况相当严重。现在，斯坦福大学的Yi Cui教授发现了锂硫电池阴极容量衰减的新机理，并着力于克服这种现象。

    Yi Cui发现的新的容量衰减机理具体为：在放电过程中硫化锂会从碳原子表面分离。为了解决这个问题，研究人员采用两亲性聚合物来优化碳层表面。实验结果显示，采用这类聚合物后，容量达到1180毫安时/克。在300次充放电循环后，其容量保持率在80%左右。

    试验中的锂硫电池阴极容量约为1673毫安时/克，整块电池的容量为2600瓦时/千克，比传统的采用金属氧化物阴极以及石墨阳极的锂离子电池高得多。

    此外，该研究团队还采用了他们早前使用过的方法——人造一个纳米纤维硫阴极将其安装在2032型纽扣电池中作为对电极。电池用1.7伏电压以0.2倍放电速率放电，并强制维持其放电速率在1.7伏，直到其放电电流小于5微安为止。过程中，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）成像技术观察到锂硫原子沿着空心纳米管收缩。

    由于硫化锂的密度低于硫，这意味着硫原子发生锂化时会发生体积膨胀。从碳壁处分离的硫化锂中多余的化合物沿着中空纳米管排出。多余的Li2S会从碳基分离，造成能量损失。

    为了研究所添加的两亲聚合物（有亲水性/疏水性聚合物组成）在硫原子表面及空心碳纳米纤维之间的性能变化，他们采用了聚乙烯基吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP），该材料具有简单的分子结构以及在消除疏水界面方面具有良好的热力学驱动力。

    实验表明，经过优化后的中空碳纤维纳米管/硫阴极表现出良好的储容量。在0.2倍放电速率下，容量为1180毫安时，在0.5倍放电速率下，容量为920毫安时，在1倍放电速率下，容量为820毫安时，数据比较接近，也意味着新型材料的性能比较稳定。