美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的研究人员设计了一种用于锂电池的新型有机阴极材料。以硫为核心，该材料比锂电池中的传统阴极材料更加高能量密度，成本效益和环保。该研究于2019年4月10日在Advanced Energy Materials上发表。
优化阴极材料
从智能手机到电动汽车，已经成为日常生活中心的技术依靠锂电池。随着对这些产品的需求持续增长，科学家们正在研究如何优化阴极材料以改善锂电池系统的整体性能。
“商业化的锂离子电池用于小型电子设备;然而，为了适应电动汽车的长距离行驶范围，它们的能量密度需要更高，”布鲁克海文化学部的研究助理Zulipiya Shadike说道，他的主要作者是研究。“我们正在努力开发具有高能量密度和稳定性能的新电池系统。”
除了解决电池系统的能源挑战外，Brookhaven的研究人员正在研究更具可持续性的电池材料设计。为了寻找能够提供高能量密度的可持续阴极材料，研究人员选择了硫磺，这是一种安全且丰富的元素。
“硫可以形成很多键，这意味着它可以保留更多的锂，因此具有更高的能量密度，”共同作者，国家同步加速器光源II(NSLS-II)的科学家Adrian Hunt说。美国能源部布鲁克海文科学办公室用户设施。“硫磺也比阴极材料中的传统元素更轻，所以如果用硫磺制造电池，电池本身就会更轻，而且它运行的汽车可以在相同的电量下进一步驱动。”
在设计新的阴极材料时，研究人员选择了一种有机二硫化物化合物，它只由碳，氢，硫和氧等元素组成 - 而不是典型锂电池中的重金属，这些元素对环境的影响较小。虽然硫电池可以更安全，能量更密集，但它们还存在其他挑战。
“当电池充电或放电时，硫会形成一种不良化合物，溶解在电解液中并扩散到整个电池中，引起不良反应，”沙迪克说。“我们试图通过设计一种阴极材料来稳定硫，其中硫原子与有机骨架相连。”
X射线揭示细节
一旦布鲁克海文化学部的科学家设计并合成了新材料，他们就将其带到NSLS-II，以更好地了解其充放电机理。在两个不同的实验站使用NSLS-II的超亮X射线，X射线粉末衍射(XPD)光束线和原位和Operando软X射线光谱(IOS)光束线，科学家们能够确定如何在特定元素中使用阴极材料有助于其性能。
“使用同步加速器光源研究有机电池材料可能很困难，因为与重金属相比，有机化合物更轻，原子排序更少，因此它们产生的数据很少，”XPD和co的首席科学家Sanjit Ghose说。 - 论文作者。“幸运的是，我们在NSLS-II上拥有非常高的通量和高能X射线束，使我们能够'看到'材料中每种元素的丰度和活性，包括更轻，更少有序的有机元素。”
Ghose补充道，“我们化学系的同事根据理论预测的结构设计并合成了阴极材料。令我们惊讶的是，我们的实验观察与理论驱动的结构完全匹配。”
IOS的首席科学家，该论文的共同作者Iradwikanari Waluyo说：“我们在内部监督办公室使用软X射线直接探测骨干中的氧原子并研究其电子结构，在电池充电和放电之前和之后我们证实了羰基 - 在碳原子和氧原子之间具有双键 - 不仅在提高电池的快速充放电能力方面起着重要作用，而且还提供了额外的容量。
NSLS-II的结果和加拿大光源的其他实验使科学家们成功地确认了硫原子提供的电池充放电能力。研究人员表示，这项研究为改善高性能锂电池硫基阴极的性能提供了一种新策略。