12分钟充满100%: 革命性锂硫电动车电池有望消除里程焦虑

一项最新研究阐述了锂硫电池如何可能最终突破当今锂离子电池在充电速度和性能上的限制。

在全球向电动出行转型的过程中，电池所需的充电时间仍然是电动汽车（EV）面临的一个重大障碍。

当今的锂离子电池需要20到30分钟才能从20%充至80%，而完全充满电通常耗时更久，并且高速充电会随着时间推移损耗电池单元。

然而，基尔大学（Kiel University）的一项新国际研究表明，锂硫电池（LSBs）可能很快将改写这些局限。

12分钟充满100%

由德国基尔大学的莫扎法尔·阿卜杜拉希法尔（Mozaffar Abdollahifar）博士协调、最近发表在《先进能源材料》上的国际研究概述了锂硫电池（LSBs）如何可能最终克服当今锂离子电池系统在速度和性能上的限制。

基于对数百项最新研究的分析，来自德国、印度和中国台湾的研究人员提供了一份路线图，展示了锂硫电池如何能够实现30分钟以内的充电时间（某些情况下甚至可能低至12分钟），同时提供更高的能量密度和更强的安全性。

锂硫电池设计的核心是硫正极与金属锂负极的组合。这种组合的理论容量高达每公斤2600瓦时（Wh/kg），接近传统锂离子电池能量密度的十倍。

对于电动汽车而言，这意味着单次充电的续航里程显著延长，这是消除消费者里程焦虑的关键一步。硫是一种安全、环保的材料，既便宜又易得。与供应链脆弱且存在伦理问题的钴和镍相比，这使其成为一个极具吸引力的选择。

锂硫电池的挑战

然而，锂硫电池技术面临着重要挑战。硫的导电性差，因此需要与碳基材料混合以有效传导电荷。这些材料增加了设计的重量和复杂性。此外，硫正极在充放电循环中会发生高达80%的体积膨胀和收缩，降低了机械稳定性并缩短了电池的使用寿命。

或许最棘手的问题是“穿梭效应”（shuttle effect），即中间产物多硫化锂化合物在正负极之间迁移，引发不必要的副反应并导致效率损失。这个问题不仅会降低性能，还会在长期循环中造成不稳定性。

另一个主要挑战是锂金属负极上的枝晶形成。这些微小的针状结构在反复充电循环中生长，可能导致短路，在某些情况下甚至引发电池起火。正如主要作者雅各布·奥夫曼（Jakob Offermann）所解释的那样，防止枝晶生长对于确保下一代电池的安全性和可靠性至关重要。

解决方案与进展

该综述研究指出了实现快速充电锂硫电池同时保持安全性和高性能的科学与工程策略。

一个关键重点是使用先进的碳基材料（如石墨烯、纳米管和多孔活性炭结构）来增强正极设计，以改善电子和离子的传输。其他进展包括使用催化材料（如金属氧化物和单原子催化剂）来加速硫转化反应并抑制穿梭效应。研究人员还在探索改进隔膜和高浓度电解质，以限制多硫化物的迁移并实现快速的离子交换。

稳定锂负极仍然是优先事项。正在测试保护性表面涂层和工程化的3D锂结构，以抑制枝晶形成并延长电池寿命。同时，研究人员正在试验新型硫形态，如单斜晶系γ-硫（monoclinic gamma-sulfur），它可能实现直接的固态反应，从而有效完全绕过穿梭效应。

人工智能（AI）

人工智能正越来越多地用于优化这种复杂的材料格局，预测能在能量密度、稳定性和充电速度之间提供最佳平衡的组合。

据阿卜杜拉希法尔博士称，早期原型已经展现出令人鼓舞的性能，在实际充电速率下实现了约2 mAh/cm²的能量密度。“我们的分析表明，实现低于30分钟，某些情况下甚至低于15分钟的快速充电时间是现实的，同时还能提高容量，”他说。“但要让锂硫电池真正超越锂离子系统，仍需在材料负载和结构集成方面进一步改进。”

国际合作与未来展望

这项研究通过国际合作得以实现，得到了德国联邦教育与研究部（BMBF）、欧盟区域发展基金、印度希夫·纳达尔杰出学府（Shiv Nadar Institution of Eminence）以及台湾地区科学主管部门的支持。这项跨学科的努力涵盖了材料科学、电化学、纳米技术和能源工程，为应对储能领域最紧迫的挑战之一指明了整体解决方向。

目前，在喝杯咖啡的时间内为电动汽车充满电仍然是一个未来的愿景。但由基尔大学领导的团队提出的路线图若被证明成功，这个未来可能比预期更快到来，为正在迅速超越化石燃料的世界提供充电更快、更清洁、更安全且更持久的电池。

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