资料来源：麻省理工学院

分子图显示了硫化钼的结构，硫化钼是用于制造新型锂硫电池阴极的材料之一。

图片来源：研究人员提供

全球各地的研究人员一直在寻找一种电池，这种电池虽然很有冲击力，但比现在的版本更小、更轻，有可能使电动汽车行驶得更远，或者使便携式电子设备在不充电的情况下运行更长时间。现在，麻省理工学院和中国的研究人员表示，他们在这一领域取得了重大进展，推出了锂电池关键部件阴极的新版本。

该团队将他们的概念描述为“混合”阴极，因为它结合了以前使用的两种不同方法的各个方面，一种是增加每磅的能量输出（重量能量密度），另一种是提高每升的能量（体积能量密度）。他们说，这种协同组合产生了一种既能提供两者的好处，又能提供更多好处的版本。

麻省理工学院核科学与工程和材料科学与工程教授李菊今天在《自然能源》杂志上发表了一篇论文，对这项工作进行了描述；麻省理工学院博士后薛伟江；以及其他13个。

今天的锂离子电池倾向于使用由过渡金属氧化物制成的阴极（电池中两个电极之一），但使用由硫制成的阴极的电池被认为是一种很有前途的减轻重量的替代方案。如今，锂硫电池的设计者面临着一个权衡。

这种电池的阴极通常由两种方式中的一种制成，即嵌入型或转化型。使用锂钴氧化物等化合物的插层类型提供了高的体积能量密度——由于其高密度，每体积填充大量冲头。这些阴极可以保持其结构和尺寸，同时将锂原子结合到其晶体结构中。

另一种阴极方法，称为转化型，使用的硫在结构上发生转化，甚至暂时溶解在电解质中。“从理论上讲，这些（电池）具有非常好的重量能量密度，”Li说。“但体积密度很低，”部分原因是它们往往需要大量额外的材料，包括过量的电解质和碳，用于提供导电性。

在他们的新混合系统中，研究人员成功地将这两种方法结合到一种新的阴极中，该阴极既包含了一种称为Chevrel相的硫化钼，也包含了纯硫，这两种硫似乎共同提供了两者的最佳方面。他们使用了这两种材料的颗粒，并将它们压缩制成固体阴极。李说：“这就像炸药中的底火和TNT，一种快速反应，一种单位重量能量更高。”。

Li说，除其他优点外，组合材料的电导率相对较高，从而减少了对碳的需求，降低了总体积。他说，典型的硫阴极由20%到30%的碳组成，但新版本只需要10%的碳。

使用这种新材料的净效果是巨大的。今天的商用锂离子电池的能量密度可以是每公斤250瓦时和每升700瓦时，而锂硫电池的最高能量密度是每公斤400瓦时，但只有每升400瓦时。Li说，新版本的初始版本尚未经过优化，已经可以达到每公斤360瓦时和每升581瓦时以上。就这些能量密度的组合而言，它可以击败锂离子电池和锂硫电池。

他说，随着进一步的工作，“我们认为我们可以达到每公斤400瓦时和每升700瓦时”，后一个数字相当于锂离子的数字。该团队已经比许多旨在开发大规模电池原型的实验室实验更进一步：他们没有测试容量只有几毫安时的小型硬币电池，而是生产了容量超过1000毫安时的三层袋状电池（电动汽车等产品电池的标准亚基）。这与一些商用电池相当，表明新设备确实符合其预测的特性。

到目前为止，这种新电池在失去太多电力而无法使用之前，可以经历的充放电循环次数还不能达到锂离子电池的寿命。但这种限制“不是阴极的问题”；这与电池的整体设计有关，“我们正在努力，”李说。他说，即使是目前的早期形式，“这可能对一些利基应用有用，比如远程无人机”，在这些应用中，重量和体积都比寿命更重要。

“我认为这是一个新的研究领域，”李说。