🧖 ▫️ 🅱️ 用于未来太空计划的锂硫电池 🕣 🙎 👨🏽‍🚀

如今，太空设备中的电池在阴凉处无法从太阳能电池板接收能量，或者在太空服中进入外太空时，太空程序中的电池主要用作备用电源。但是，当今使用的电池类型（锂离子，镍氢₂）有许多限制。首先，它们太麻烦了，因为由于没有多种保护机制来减小体积，因此没有优先考虑能量强度，而是优先考虑安全性。其次，现代电池有温度限制，在未来的计划中，根据位置的不同，温度范围可能从-150°C到+450°C。

来源

另外，不要忘记增加了背景辐射。通常，用于航天工业的未来电池不仅应紧凑，耐用，安全且耗能大，而且应在高温或低温以及辐射本底增加的条件下运行。自然，今天不存在这种神奇的技术。然而，有希望的科学发展正在试图接近未来计划的要求。特别是，我想谈一谈研究的一个方向，这是由美国国家航空航天局（NASA）在游戏改变发展（GCD）计划框架内提供的。

由于将所有上述规格组合到一个电池中是一项艰巨的任务，因此，NASA的主要目标是获得更紧凑，更节能，更安全的电池。如何实现这个目标？

首先，要显着增加每单位体积的能量消耗，就需要使用基本上全新的电极材料的电池，因为锂离子电池（Li-ion）的容量受阴极（约250 mAh / g的氧化物）和阳极（约370 mAh / g（对于石墨），以及电解质稳定的电压极限。允许使用根本上新的反应而不是插入电极来增加容量的技术之一是锂硫电池（Li-S），其阳极包含金属锂，硫被用作阴极的活性材料。锂硫电池的操作与锂离子电池的操作有些相似：锂离子参与电荷的传输。但是与锂离子不同的是，锂离子中的离子不会整合到阴极的分层结构中，并与他进行以下反应：

2 Li + S-> Li ₂ S

尽管实际上，在阴极的反应看起来像这样：

S _8- > Li ₂ S _8- > Li ₂ S _6- > Li ₂ S _4- > Li ₂ S _2- > Li ₂ S

来源

这种电池的主要优点是其高容量，是锂离子电池容量的2-3倍。但实际上，并非所有事情都如此乐观。充电时，锂离子可怕地沉积在阳极上，形成金属链（枝晶），最终导致短路。此外，锂和硫在阴极处的反应会导致材料体积发生较大变化（最高80％），从而使电极迅速被破坏，硫化合物本身就是不良导体，因此必须向阴极添加许多碳材料。最后也是最重要的一点是，中间反应产物（多硫化物）逐渐溶解在有机电解质中，并在阳极和阴极之间“移动”，这导致非常强的自放电。

但是上述所有问题都在试图解决马里兰大学（UMD）的一批科学家，该科学家获得了NASA的资助。那么，科学家如何解决所有这些问题呢？首先，他们决定“攻击”锂硫电池的主要问题之一，即自放电。并且，代替了如上所述的逐渐溶解活性物质的液态有机电解质，他们使用了固态陶瓷电解质，或者说是Li ₆ PS ₅ Cl，它可以很好地通过其晶格传导锂离子。

但是，如果固体电解质解决了一个问题，它们也会带来其他困难。例如，在反应期间阴极体积的大变化会导致固体电极和电解质之间的接触迅速丧失，并且电池容量急剧下降。因此，科学家们提出了一种优雅的解决方案：他们创造了一种纳米复合材料，该复合材料由包裹在碳基质中的阴极活性材料（LI ₂ S）和电解质（Li ₆ PS ₅ Cl）的纳米颗粒组成。

来源

这种纳米复合材料具有以下优点：首先，与碳中的锂反应期间体积发生变化的材料的纳米颗粒分布（其体积实际上保持不变）提高了纳米复合材料的机械性能（延展性和强度）并降低了开裂的风险。另外，碳不仅具有改善的导电性，而且还具有良好的离子导电性，因此不干扰锂离子的移动。并且由于活性材料是纳米结构的事实，锂不必经过很长的距离即可发生反应，并且可以更有效地使用材料的整个体积。最后，使用这种复合材料改善了电解质，活性材料和导电碳之间的接触。

结果，科学家得到了一块完全固态的电池，容量约为830 mAh / g。当然，现在谈论将这种电池发射到太空中还为时过早，因为这种电池只能进行60次充电/放电循环。但与此同时，尽管容量迅速下降，但60个循环已经比以前的结果有了显着改善，因为在此之前，固态锂硫电池不能工作超过20个循环。还应注意，此类固体电解质可以在很宽的温度范围内工作（顺便说一句，它们在高于100°C的温度下效果最佳），因此此类电池的温度极限更有可能归因于活性材料而不是电解质，这是此类系统的区别使用有机溶液作为电解质从电池中提取。

资料来源

Nano Lett., 2016, 16 (7), pp 4521–4527
interface.ecsdl.org/content/25/3/26

用于未来太空计划的锂硫电池

More articles: