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纳米复合电催化剂可以重新构想 5 分钟充电时间的锂硫电池
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从锂离子到锂硫
迄今为止，锂离子电池在电池市场上占据主导地位。这要归功于高能量密度以及在电子消费市场广泛使用和生产的领先优势。
当应用于其他用途时，锂离子电池容量的限制开始出现。例如，锂离子电池的充电速度相对较慢，虽然可以进行快速充电，但往往会损害电池的使用寿命。
充电缓慢一直是电动汽车车主面临的一个持续问题，并且经常被认为是人们拒绝采用电动汽车的原因。
由于电动汽车现在是电池容量最大的消费者，充电速度更快的新型电池化学材料可能会迅速流行起来，并与锂离子设计竞争。
其中一种很有前途的新化学物质是锂硫电池。以前的设计充电速度甚至比锂离子电池还要慢，但新的纳米材料可以在短短 5 分钟内为锂硫驱动的电动汽车充电。
锂硫的优点与挑战
新型锂硫电池技术由中国和澳大利亚大学和研究机构（阿德莱德、天津、ANSTO和清华）的研究人员发现，并以“Nature Nanotechnology”为题发表在《Nature Nanotechnology》上通过过渡金属/碳纳米复合电催化剂工程开发高功率锂||硫电池“。
众所周知，锂硫电池具有惊人的能量密度，以 Wh/kg（比能量）衡量的能量是传统锂离子电池的两倍以上，并且以 Wh/L（比容量）衡量的性能优越。
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迄今为止，阻碍锂硫电池原型被广泛采用的关键问题是寿命低（锂离子电池的1/3）和充电速度非常慢，充满电需要1-10小时。
对于电动汽车来说，这显然是不可接受的，用户已经抱怨锂离子电池的续航时间为 20-30 分钟。
（我们在参考文章中讨论了许多锂离子的替代化学物质“移动出行的未来——电池技术“）。
由于最近在《自然》杂志上发表的发现，锂硫的局限性突然发生了变化，新的锂硫设计有望带来惊人的性能：
- 寿命至少 1,000 次循环，与锂离子电池类似。
- 比能量为 1,306 Wh/kg， 比锂离子电池高 10 倍，甚至优于大多数固态电池设计.
- 充电/放电周期少于 5 分钟。
构建纳米级锂硫电池
那么，研究人员是如何制造出看似完美的电池的呢？
首先，他们在原子/量子水平上研究了硫还原反应（SRR），这是控制充电/放电速率的关键部分。为了实现这一目标，他们使用粒子加速器（澳大利亚同步加速器，ANSTO）来确定准确的 原子轨道占据（硫原子周围电子的位置） 在金属基催化剂中。
借助这些前所未有的分析数据，他们成功地准确预测了硫还原反应（SRR）的速度和过程。
有了这个预测模型，他们然后设计了纳米复合电催化剂，由碳和铁、钴、镍、铜和锌等几种不同的金属电催化剂合金制成。
最终，选择了具有上述卓越性能的钴和锌合金。
下一步是什么？
这种“超级电池”的开发可能会成为我们能源系统电气化的一个转折点，从运输到大规模采用需要强大公用事业规模电池的可再生能源。
然而，现在还为时过早，在锂硫电池占据主导地位之前还需要回答一些问题。
稀有材料
多年来，锂离子电池和电动汽车制造商一直在努力摆脱使用钴的设计。这是因为钴是一种稀有矿物，其主要来源是刚果，那里的钴生产与童工和奴隶劳动以及普遍侵犯人权有关。
因此，电催化剂中使用的钴锌纳米团簇也需要解决这个问题。
成本
高材料成本是该行业放弃钴基设计而转而使用固态、磷酸铁锂 (LFP) 或钠离子电池的另一个原因。
因此这对于钴基锂硫电池来说可能是一个问题。即使它们比锂离子电池效率更高、能量密度更高。
同时，极高的比能量意味着相同的电动汽车续航里程需要更少的电池。
这反过来又大大减轻了电动汽车的重量，因为电池目前占车辆重量的 25% 以上。更轻的重量进一步增加了航程。
真正的决定因素将是锂硫电池的每瓦时价格，以及电池组的重量可以降低多少。
批量生产
过去十年，电池技术出现了大量创新材料和设计。但是，将实验室制造的纽扣电池转变为电池组，然后创建工厂规模的工艺来制造它们并不是一件容易的事。
例如， 固态电池的商业化日期被QuantumScape、大众、丰田、CATL、LG等连年推迟。
这并不是因为该技术不起作用，而是因为大规模生产固态电池且没有质量问题且成本低廉，事实证明非常具有挑战性。
因此，将这种锂硫原型转变为商用电池可能还有很多步骤。
结语
自诞生以来，电池一直是电动汽车的弱点，通过世界各地大学以及宁德时代、特斯拉、LG等行业领导者的巨大研究努力，这个问题正在慢慢得到解决。
目前还不清楚哪种设计或化学反应最终会占上风。最有力的竞争者似乎是固态电池，而锂硫电池可能是固态商业化之后的新一代电池。
LFP 和钠离子也可能适用于注重低成本而不是高性能的应用和产品。
当然，与电动汽车相比，可能有更奇特的公用事业规模电池设计，其要求非常不同，例如我们在文章中讨论的铁空气电池、氧化还原电池、重力电池或混凝土电池“储能的未来——公用事业规模的电池技术“和”能源转型中电池的非化学替代品“。
无论如何，能源系统的未来趋势是大规模电气化。电池技术正在快速发展，这可能会消除大规模采用电动汽车和可再生能源的最后障碍。
