耦合实验以理论构建更好的电池

现在，由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)科学家领导的研究小组报告说，与传统的锂硫电池相比，新的锂硫电池组件可以使容量翻倍，即使更多高电流密度下的100次充电循环，这是它们在电动汽车(EV)和航空中采用的关键性能指标。

他们通过设计一种新型聚合物粘合剂来实现这一目标，该粘合剂主动调节锂硫电池中的关键离子传输过程，并且还展示了它在分子水平上的功能。这项工作最近在NatureCommunications报道。

伯克利实验室分子铸造厂的科学家兼研究的相应作者布雷特赫尔姆斯说：“这种新聚合物起到了作用。”“硫被加载到碳主体的孔中，然后被我们的聚合物密封。由于硫参与电池的化学反应，聚合物可防止带负电的硫化合物徘徊。电池具有很大的潜力下一代电动汽车。“

当锂硫电池储存和释放能量时，化学反应会产生与电极断开的硫的可移动分子，导致其降解并最终降低电池的容量。为了使这些电池更加稳定，研究人员一直致力于为其电极开发保护涂层，并开发新的聚合物粘合剂，作为将电池组件固定在一起的胶水。这些粘合剂旨在控制或减轻电极的膨胀和开裂。

新的活页夹更进了一步。来自伯克利实验室分子铸造厂有机合成设施的研究人员，一个专门研究纳米科学的研究中心，设计了一种聚合物，通过选择性地结合硫分子，抵消其迁移倾向，使硫紧靠电极。

下一步是了解充电和放电期间以及不同充电状态下可能发生的动态结构变化。负责铸造理论工具的DavidPrendergast和理论工具的项目科学家TodPascal建立了一个模拟测试研究人员关于聚合物行为的假设。

“我们现在可以基于对溶解含硫产品的详细量子力学模拟的学习，可靠而有效地模拟这些粘合剂中的硫化学，”Prendergast说。

他们在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算资源上进行的大规模分子动力学模拟证实，该聚合物具有结合流动硫分子的亲和力，并且还预测该聚合物可能会表现出偏好用于在电池的不同充电状态下结合不同的硫物质。在伯克利实验室的高级光源和阿贡国家实验室的电化学发现实验室进行的实验证实了这些预测。

研究小组还进一步研究了用新型聚合物粘合剂制成的锂硫电池的性能。通过一系列实验，他们能够分析和量化聚合物如何影响硫阴极中的化学反应速率，这是实现这些电池的高电流密度和高功率的关键。

通过长期循环使电池的电容几乎翻倍，新型聚合物提高了锂硫电池的容量和功率。

对新聚合物的合成，理论和特性的综合理解使其成为DOE能量储存研究联合中心(JCESR)原型锂硫电池的关键组成部分。

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