稳定稀有同素异形体可能是锂硫电池工作的关键

一种罕见的稳定形式硫使得研究人员能够在锂硫电池(LiS)中消除麻烦的副作用，这一发现可能有助于开启下一代储能技术。

LiS电池被认为是向电气化转型的明星，因为硫磺便宜、丰富且能量强大。对于能量密度非常关键的应用，例如航空锂硫电池可能是答案．但是锂离子电池在进入市场之前还有一些主要问题需要克服。

现在,Vibha卡尔拉美国费城德雷塞尔大学的研究员和她的同事们偶然发现了一种方法稳定硫的不同晶体形式这反过来似乎消除了锂电池面临的许多头痛问题。

锂离子电池是锂离子电池的老亲戚，经过了试验和测试，但也有一些严重的缺点:锂离子电池钴稀土是稀缺的，而开采稀土的人道主义成本是巨大的——通常是刚果民主共和国条件恶劣的儿童开采。

因此，向另一种锂电池的转变可能是革命性的。但是LiS技术也存在一些问题。阴极的基本反应是正极锂离子与硫反应生成硫化锂。但是形成的多硫化物中间体是一个大问题。在传统的碳酸盐电解质中，多硫化物与电解质发生不可逆反应，立即杀死细胞。

为了解决这个问题，一种策略是尝试新的醚电解质溶解多硫化物。但Kalra认为，这些电解质并不适合大规模生产，因为它们通常是挥发性有机物。为了缓和多硫化物的形成，所需的电解液量会阻碍电池的能量密度。

Kalra的想法是找到一种方法，让电池与工业上更友好的碳酸盐电解质一起工作，这种电解质广泛用于锂离子电池。她认为，通过物理约束碳纳米纤维中的硫，多硫化物将被困在纳米纤维中，根本不会与碳酸盐电解质发生反应。

当Kalra试图通过气相沉积来限制硫时，它没有起作用。但她和她的团队发现，当混合到碳纳米纤维中时，硫以一种非常罕见的形式稳定下来——单斜的伽玛硫，而不是更常见的稳定的正交的α硫。γ硫通常在室温下不稳定，具有由8个硫原子组成的矩形棱镜结构，其结构与正交α硫的冠状结构不同。

当他们将碳纳米纤维放入碳酸盐电解质的电池中，他们可以循环4000次而不影响性能。卡拉说:“我们测试了很多次，因为这太好了，不可能是真的。”γ硫并没有按计划限制在碳纳米纤维内，而是在表面上，似乎完全阻止了多硫化物的形成。相反，硫化锂直接形成，使电池不受阻碍地工作。

Kalra已经为这项技术申请了专利，但现在需要花大量时间在电池使用期间进行更深入的特性分析。为什么以及如何伽马硫能让硫化锂在没有任何多硫化物的情况下形成是一个关键问题，到目前为止，Kalra还没有答案。她说:“我们需要operando x射线衍射，这绝对是一个很好的下一步。”

希瑟盟伦敦帝国理工学院的锂离子电池研究员说，能够在碳酸盐电解质中运行这些电池可能是有益的，“因为它已经用于锂离子电池，它在技术上有了更多的进步”。Au说，Kalra在这种情况下使用了一个独立的电极，减少了许多与电极有关的额外重量，这些电极需要混合添加剂来帮助它们导电，以及电流收集器来完成电池。

Au同意下一步将是至关重要的。“对于这种转换机制是如何工作的，人们并不是很了解。因此，我对这方面的后续工作非常感兴趣。”