世界各地的研究人員一直在尋求一種電池，這種電池能裝上一拳，但比今天的電池更小更輕，有可能使電動汽車行駛得更遠，或者便攜式電子設備可以在不充電的情況下運行更長時間。現在，麻省理工學院和中國的研究人員表示，他們在這一領域取得了重大進展，推出了一種新型的鋰電池關鍵部件-陰極。
該小組將他們的概念描述為“混合”陰極，因為它結合了以前使用過的兩種不同方法的各個方面，一種是增加每磅能量輸出(重量能量密度)，另一種是每升能量(體積能量密度)。他們說，這種協同組合產生了一個版本，它提供了兩者以及更多的好處。
這項工作今天發表在雜誌上。自然能，作者是麻省理工學院核科學與工程與材料科學與工程教授朱力，麻省理工學院博士後薛偉江等13人。
今天的鋰離子電池傾向於使用由過渡金屬氧化物製成的陰極(電池中的兩個電極之一)，但用硫製成陰極的電池被認為是一種很有前途的減肥方法。今天，鋰硫電池的設計者們面臨著一種權衡。
這種電池的陰極通常有兩種方式之一，即插層式或轉換式。插層類型，使用的化合物，如鋰鈷氧化物，提供了較高的體積能量密度-填料，許多穿孔每體積，因為它們的高密度。這些陰極可以保持它們的結構和尺寸，同時將鋰原子加入到它們的晶體結構中。
另一種陰極方式，稱為轉換型，使用硫的結構轉化，甚至暫時溶解在電解液中。“理論上，這些(電池)有很好的重量能密度，”李說。“但是體積密度很低，”部分原因是它們往往需要大量額外的材料，包括用來提供電導率的過多的電解質和碳。
在他們的新的混合系統中，研究人員成功地將這兩種方法結合成一種新的陰極，這種陰極既結合了一種叫做Chevrel相的硫化鉬，又結合了純硫，這兩者似乎都提供了最好的方面。他們使用這兩種材料中的粒子並將其壓縮成固體陰極。“這就像炸藥中的底漆和TNT，一種快速反應，另一種具有更高的重量能量，”Li說。
另外，結合材料的電導率相對較高，從而減少了對碳的需求，降低了整體體積，Li說。他說，典型的硫陰極由20%到30%的碳組成，但新版本只需要10%的碳。
使用這種新材料的淨效果很大。今天的商用鋰離子電池的能量密度可以達到每公斤250瓦特小時和每升700瓦時，而鋰硫電池的能量密度可以達到每公斤約400瓦特小時，但每升只有400瓦特小時。新的版本，在其最初的版本還沒有經過優化過程，已經可以達到超過360瓦特小時每公斤和581瓦特小時每升，李說。根據這些能量密度的組合，它可以擊敗鋰離子電池和鋰硫電池。
通過進一步的研究，他說，“我們認為我們可以達到每公斤400瓦特小時和每升700瓦特小時”，後者相當於鋰離子。該團隊已經比許多旨在開發大型電池原型的實驗室實驗更進一步：他們沒有測試容量只有幾毫安小時的小硬幣電池，而是生產了一個容量超過1000毫安小時的三層電池(電動汽車等產品電池的標準亞單元)。這與一些商用電池相當，表明新設備確實符合其預期的特性。
到目前為止，從充放電週期的數量來看，這種新電池還不能達到鋰離子電池的壽命，在失去太多的動力之前，它就無法發揮作用。但這個限制“並不是陰極的問題”；它與整個電池設計有關，“我們正在致力於這個問題，”李說。他說，即使在目前的早期階段，“這對於一些利基應用可能也很有用，比如遠程無人機”，在那裡，重量和體積都比壽命更重要。
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