碳纳米管涂层提升电池性能

译海撷英

碳纳米管涂层提升电池性能

理论上，以硫为负极的锂离子电池比目前销售的可充电电池可存储更多的能量，这意味着电动汽车和移动设备两次充电的时间间隔可相应延长。最近，德克萨斯州的研究人员表明，向电池的某个元件增加一层碳纳米管，取得的能效可与锂-硫电池相媲美。

与当今最好的商业电池相比，锂-硫电池可储存5倍于其的能量。当锂离子电池充放电时，锂离子在两个电极之间移动并通过外部环路产生电流。电池负极容纳的锂离子越多，电池能够存储的能量就越多。锂-硫电池能存储较多的能量是由于其硫负极能够收纳并释放大量的锂离子。然而，这意味着电池负极的容量波动了80%，这可能造成电池短路并危及安全。更重要的是，在电池的整个寿命过程中，锂离子在负极与硫反应形成多硫化合物。这些化合物通过电解质移动到阳极，将硫从负极带走，迅速耗尽电池的能量存储能力。

德克萨斯大学奥斯汀分校德克萨斯材料研究所的化学家Arumugam Manthiram采取了不同的方法：在电池负极和隔膜（作用是阻止电子穿过而允许离子在正负极之间自由通过）间增加了一层碳材料。碳薄膜导电、有弹性并且很牢固，可以阻止多硫化合物的形成。Manthiram的研究小组第一次试图在负极和隔膜之间加入一张碳复写纸，但却增加了电池的重量。为了使电池尽量轻便小巧，研究人员决定在常规电池隔膜上喷涂一层市售多层碳纳米管薄膜。

他们将碳纳米管悬浮于乙醇溶液中并通过真空过滤将碳纳米管牵引到隔膜的表面，利用干燥后的隔膜制备小型电池用于实验室测试。研究人员通常将碳与绝缘体——硫混合来增加阴极的导电性，但此举会降低电池的存储容量。由于碳纳米管的导电性很强，研究人员可以在电池中使用约为其总重量65%的硫。高含量的硫使电池的放电量达1324（m·Ah）/g，接近于锂-硫电池的理论存储容量。重要的是，电池的存储容量不会随着时间的推移而衰减。Manthiram指出：“对实验室电池来讲，我们制备的电池性能相当不错，而且涂层工艺成本较低，易于实施。”该锂-硫电池只通过了300次充放电循环测试，真正商用电池需通过几千次的充放电循环。

同样研究锂-硫电池的亚利桑那州立大学化学家Jeffrey Pyun对此评价道：“这是一项基于工艺、有趣的处理方法，可以改善锂-硫电池的性能而不需要合成用作电极或电解质的新材料。”此外，他还强调必须考虑碳纳米管的成本。Manthiram认为如果使用碳纳米管这一特殊材料，可能会产生成本问题，但是应该有可能找到一种成本低廉的碳材料来制备碳膜涂层。