目前，锂离子电池广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车等。但是，商用锂离子电池的能量密度低于替代型电池，并且依赖相对昂贵且稀缺的物质，例如钴和镍化合物。作为富有前景的锂离子电池替代品之一，锂硫电池采用锂金属阳极和硫阴极。这种电极配对有望将能量密度提高两到三倍并降低成本，同时还能利用地球上的丰富资源。但这些电池也存在局限性，包括不必要的多硫离子迁移、在系统内不均匀分布和发生的化学反应，这些因素会导致循环寿命短。

（图片来源：阿贡实验室）

据外媒报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员开发创新电解质添加剂，在解决这些限制锂硫电池广泛应用的问题方面取得了进展。

在锂离子电池中，锂离子储存在阴极材料层之间的空间中，并在充放电过程中在阴极和阳极之间来回移动。然而，锂硫电池依赖于不同的过程。在这些电池中，锂离子通过化学反应在阴极和阳极之间移动。来自阴极的硫元素被转化为多硫化合物（由硫原子链组成），其中一些可以溶解在电解质中。这种溶解性会引起“穿梭”效应，即多硫化物在阴极和阳极之间来回移动，从而导致硫阴极材料损失。由于它们沉积在阳极，限制了电池的整体循环寿命和性能。

人们提出了许多策略来减轻多硫化物穿梭和其他挑战。长期以来，在电解质中使用添加剂的策略被认为是不相容的，因为添加剂与硫阴极和其他电池部件具有化学反应性。

阿贡研究团队开发一类新型添加剂，并发现这实际上可以提高电池性能。通过控制添加剂与硫化合物反应的方式，研究人员能够更好地在阴极和电解质之间创建界面，这是促进锂离子轻松传输的必要因素。阿贡化学研究人员Guiliang Xu表示：“这种添加剂称为路易斯酸添加剂（Lewis acid additive），是一种与多硫化物发生反应的盐，可在整个电极上形成一层薄膜。关键是要发生轻微的反应来形成薄膜，而不是持续发生反应，这会消耗材料并降低能量密度。”

该添加剂在阳极和阴极上形成一层薄膜，从而抑制穿梭效应，提高电池的稳定性，并有利于形成贯穿整个电极的离子传输“高速公路”。这种电解质设计还可以充分减少硫的溶解，并改善反应均匀性，从而可以使用以前被认为不兼容的添加剂。

为了验证这一概念，研究人员将使用这种添加剂的电解质，与锂硫电池中使用的传统电解质进行了比较。结果观察到所形成的多硫化物明显减少。新电解质表现出非常低的多硫化物溶解度，这一点已经通过X射线技术证实。此外，他们还跟踪了电池充放电期间的反应行为。这些实验利用了阿贡的先进光子源（APS）和布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II，从而证实该电解质设计可以充分减少多硫化物的溶解和形成。

APS光束线研究人员Tianyi Li表示：“同步加速器技术为表征电池材料提供了强有力的工具。通过在APS使用X射线衍射、X射线吸收光谱和X射线荧光显微镜，这证明了新界面设计可以有效地缓解众所周知的问题，包括多硫化物穿梭在内。更重要的是，这种界面可以增强离子转移，有助于减少反应不均匀性。”

Xu表示：“随着硫电极的进一步优化和开发，我们相信锂硫电池可以实现更高的能量密度和更好的整体性能，从而为其商业化应用做出贡献。”

锂硫电池面临的另一大挑战是锂金属的稳定性，它很容易发生反应，并引发安全问题。该团队正在开发更好的电解质，以稳定锂金属并降低电解质易燃性，确保锂硫电池安全性。