由于重量輕、能量密度高且可充電，鋰離子電池為許多產(chǎn)品提供動力，從筆記本電腦和手機(jī)到電動汽車和牙刷。然而，目前的鋰離子電池已經(jīng)達(dá)到了儲存能量的極限。因此研究人員開始尋找更強(qiáng)大、更便宜的替代品。

據(jù)外媒報(bào)道，克萊姆森大學(xué)(Clemson University)研究員、物理和天文學(xué)系副教授Ramakrishna Podila表示，硫元素便宜、儲量豐富，且理論上比傳統(tǒng)鋰離子電池材料具有更高的能量密度，可作為新的儲能系統(tǒng)。

圖片來源：克萊姆森大學(xué)

當(dāng)前的電動汽車每次充電可以行駛約300英里。鋰硫電池的續(xù)航里程有可能超過400英里，而電池組的實(shí)際容量高達(dá)500瓦時(shí)/千克，是鋰離子電池的兩倍。

但研究鋰硫離子電池的研究仍然存在挑戰(zhàn)。最重要的是元素硫的八角形格式在電池的充放電循環(huán)中經(jīng)歷了一系列結(jié)構(gòu)和形態(tài)變化，使其不穩(wěn)定并導(dǎo)致電池快速失效。另一方面，硫化聚合物陰極在低硫含量下穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈兊牧蜴溳^短。

Podila表示：“獲得的總能量不僅取決于總電荷，還取決于電荷的空間和時(shí)間分布。它們越局部化，獲得的能量就越少。研究表明，當(dāng)取消對電荷分布形狀的某些量子限制時(shí)，總能量可以增加。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，向含硫聚合物中添加氮?dú)饪梢苑稚㈦姾刹⒃黾恿孔与娙荨?/p>

Podila表示：“我們已經(jīng)證明，元素硫具有高容量，但依然無法制造出良好、實(shí)用的電池。硫化聚合物中的硫含量不多，但它在氮?dú)獯嬖诘那闆r下可以更好地分配電荷，因此效果很好。因此，實(shí)際上，我們可以使用具有高量子電容的硫化聚合物制造電池，以匹配受多硫化物限制的元素硫電池的實(shí)際性能指標(biāo)。”

Podil繼續(xù)說道：“這項(xiàng)研究為了解電池或電容器如何工作的實(shí)際量子性質(zhì)提供了新的見解。我們經(jīng)常通過將電子視為剛性球來描述電池和電容器中的電流。實(shí)際上，電子在微觀層面上的行為非常不同，需要特殊的統(tǒng)計(jì)處理來描述它們在晶體中的分布。我們的實(shí)驗(yàn)揭示了一些有趣的量子效應(yīng)，這些效應(yīng)在氮原子存在時(shí)表現(xiàn)出來。除了在鋰離子電池中的應(yīng)用之外，我們在量子電容方面的工作有望助力在開發(fā)出更好的電池。”

相關(guān)研究結(jié)果以發(fā)表于期刊《Advanced Science》。