电池在日常生活中无处不在，从手机和智能手表到越来越多的电动汽车。这些设备中的大多数都使用众所周知的锂离子电池技术。尽管锂离子电池自首次推出以来已经取得了长足的进步，但它们也有一些常见的缺点，例如寿命短、过热以及某些原材料的供应链挑战。

美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家正在通过测试电池结构中的新材料来研究解决这些问题的方法。一种这样的材料是硫。硫磺储量丰富且成本低廉，比传统的离子电池能储存更多的能量。

在一项新研究中，研究人员通过在电池内创建一层来增加储能容量，同时几乎消除硫电池导致腐蚀的传统问题，从而推进了硫基电池研究。

一种有前途的电池设计将含硫正极(阴极)与锂金属负极(阳极)配对。在这些组件之间是电解质，或允许离子在电池两端之间通过的物质。

早期的锂硫 (Li-S) 电池性能不佳，因为硫物质(多硫化物)溶解到电解质中，导致其腐蚀。这种多硫化物穿梭效应会对电池寿命产生负面影响，并降低电池的充电次数。

为了防止这种多硫化物穿梭，之前的研究人员尝试在阴极和阳极之间放置一个氧化还原惰性夹层。术语“氧化还原惰性”是指该材料不会像电极中那样发生反应。但这种保护性夹层又重又致密，降低了电池单位重量的储能能力。它也没有充分减少穿梭。这已被证明是锂硫电池商业化的主要障碍。

为了解决这个问题，研究人员开发并测试了一种多孔含硫中间层。实验室测试表明，与非活性夹层相比，具有这种活性夹层的 Li-S 电池的初始容量高出约三倍。更令人印象深刻的是，具有活性夹层的电池在 700 次充放电循环后仍保持高容量。

“之前对具有氧化还原非活性层的细胞进行的实验只能抑制穿梭，但在这样做的过程中，他们牺牲了给定细胞重量的能量，因为该层增加了额外的重量，”Argonne 化学家、论文的合著者 Guiliang Xu 说。纸。“相比之下，我们的氧化还原活性层增加了储能能力并抑制了穿梭效应。”

为了进一步研究氧化还原活性层，该团队在美国能源部科学办公室用户设施阿贡先进光子源 (APS) 的 17-BM 光束线上进行了实验。将带有这一层的细胞暴露在 X 射线束下收集的数据使团队能够确定中间层的好处。

数据证实，氧化还原活性中间层可以减少穿梭，减少电池内的有害反应，并增加电池容量以容纳更多电荷并持续更多循环。“这些结果表明，氧化还原活性夹层可能对锂硫电池的开发产生巨大影响，”APS 的光束线科学家 Wenqian Xu 说。“我们离在日常生活中看到这项技术又近了一步。”

展望未来，该团队希望评估氧化还原活性中间层技术的增长潜力。“我们想让它更薄、更轻，”许桂良说。