目前，鋰離子電池廣泛應用于手機、筆記本電腦和電動汽車等。但是，商用鋰離子電池的能量密度低于替代型電池，并且依賴相對昂貴且稀缺的物質，例如鈷和鎳化合物。作為富有前景的鋰離子電池替代品之一，鋰硫電池采用鋰金屬陽極和硫陰極。這種電極配對有望將能量密度提高兩到三倍并降低成本，同時還能利用地球上的豐富資源。但這些電池也存在局限性，包括不必要的多硫離子遷移、在系統內不均勻分布和發生的化學反應，這些因素會導致循環壽命短。

（圖片來源：阿貢實驗室）

據外媒報道，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員開發創新電解質添加劑，在解決這些限制鋰硫電池廣泛應用的問題方面取得了進展。

在鋰離子電池中，鋰離子儲存在陰極材料層之間的空間中，并在充放電過程中在陰極和陽極之間來回移動。然而，鋰硫電池依賴于不同的過程。在這些電池中，鋰離子通過化學反應在陰極和陽極之間移動。來自陰極的硫元素被轉化為多硫化合物（由硫原子鏈組成），其中一些可以溶解在電解質中。這種溶解性會引起“穿梭”效應，即多硫化物在陰極和陽極之間來回移動，從而導致硫陰極材料損失。由于它們沉積在陽極，限制了電池的整體循環壽命和性能。

人們提出了許多策略來減輕多硫化物穿梭和其他挑戰。長期以來，在電解質中使用添加劑的策略被認為是不相容的，因為添加劑與硫陰極和其他電池部件具有化學反應性。

阿貢研究團隊開發一類新型添加劑，并發現這實際上可以提高電池性能。通過控制添加劑與硫化合物反應的方式，研究人員能夠更好地在陰極和電解質之間創建界面，這是促進鋰離子輕松傳輸的必要因素。阿貢化學研究人員Guiliang Xu表示：“這種添加劑稱為路易斯酸添加劑（Lewis acid additive），是一種與多硫化物發生反應的鹽，可在整個電極上形成一層薄膜。關鍵是要發生輕微的反應來形成薄膜，而不是持續發生反應，這會消耗材料并降低能量密度?！?p>

該添加劑在陽極和陰極上形成一層薄膜，從而抑制穿梭效應，提高電池的穩定性，并有利于形成貫穿整個電極的離子傳輸“高速公路”。這種電解質設計還可以充分減少硫的溶解，并改善反應均勻性，從而可以使用以前被認為不兼容的添加劑。

為了驗證這一概念，研究人員將使用這種添加劑的電解質，與鋰硫電池中使用的傳統電解質進行了比較。結果觀察到所形成的多硫化物明顯減少。新電解質表現出非常低的多硫化物溶解度，這一點已經通過X射線技術證實。此外，他們還跟蹤了電池充放電期間的反應行為。這些實驗利用了阿貢的先進光子源（APS）和布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源II，從而證實該電解質設計可以充分減少多硫化物的溶解和形成。

APS光束線研究人員Tianyi Li表示：“同步加速器技術為表征電池材料提供了強有力的工具。通過在APS使用X射線衍射、X射線吸收光譜和X射線熒光顯微鏡，這證明了新界面設計可以有效地緩解眾所周知的問題，包括多硫化物穿梭在內。更重要的是，這種界面可以增強離子轉移，有助于減少反應不均勻性?！?p>

Xu表示：“隨著硫電極的進一步優化和開發，我們相信鋰硫電池可以實現更高的能量密度和更好的整體性能，從而為其商業化應用做出貢獻?！?p>

鋰硫電池面臨的另一大挑戰是鋰金屬的穩定性，它很容易發生反應，并引發安全問題。該團隊正在開發更好的電解質，以穩定鋰金屬并降低電解質易燃性，確保鋰硫電池安全性。