新一代锂硫电池要比现有的锂离子电池具有更大的单位质量密度。由于化学过程过于复杂限制了其使用寿命,目前,研究人员发现,通过增加硼化镁超导体纳米颗粒,可对Li-S正极中的化学反应进行控制。
从理论上讲,锂硫电池有很多优点:按质量计算,锂硫电池的能量是传统锂离子技术的5倍左右;硫的储量丰富、价格低廉、重量轻;与其他电极材料相比,可容纳大量锂。但由于硫过于活泼,锂硫电池的化学反应比锂离子电池要复杂得多。当这些电池充放电时,参与副反应的硫形成了多硫化物的混合物,其中的多硫化物溶于电解质,由此硫就从正极转移到了负极。这种迁移意味着留在正极上的硫较少,而正极上的硫恰巧是容纳锂所必须的。这些多硫化物也是电绝缘的,并在负极表面形成一个涂层,使其性能下降。由于这些反应和迁移,锂硫电池在效率和耐用性上存在不足,还不能替代锂离子电池。
到目前为止,对于锂硫电池的这些缺陷,化学家们尚无完美的应对之策。通常Li-S正极材料最初采用碳和硫混合物。缓解多硫化物问题的一个策略是在混合物中添加固硫材料,让S元素尽量多地留在正极上。但是,这些材料也会抑制正极性能,降低其电导率。MgB2作为一种可能的控硫物,几年前引起了Nazar实验室的注意。他们希冀MgB2像其他添加物一样与多硫化物结合,不降低电池性能也不会妨碍电子的流动。这是因为在低温下它是一种轻量化的超导体,并且在室温下具有很强的导电性。
Nazar实验室的Quanquan Pang利用气-固反应找到了制备MgB2纳米颗粒的方法,即采用硼-碳混合物与镁小球混合后加热。通过探索这种材料的化学特性,发现颗粒表面的镁和硼都能与硫结合并将其固定。此外,这两种元素并不会对锂产生任何束缚作用。这很重要,因为其他锂-硫电极添加剂会与锂发生相互作用或与锂结合,从而妨碍了锂循环并降低电池效率。MgB2纳米粒子的直径约为100 nm,非常密实,这意味着电极可以做得相对紧凑,考虑到这种电池可能应用于有空间限制的无人机或电动汽车上,这是一个关键因素。
研究人员又将石墨烯与硫混合作正极,以锂-金属作负极,与电解质组成电池,其电流输出效率比Li-S/C电池提高14%,并可稳定地充放电100次。