研究为锂硫电池中的量子效应提供了新见解

锂离子电池为我们的生活提供动力。由于它们重量轻、能量密度高且可充电，因此电池为许多产品提供动力，从笔记本电脑和手机到电动汽车和牙刷。

然而，目前的锂离子电池已经达到了储存能量的极限。这让研究人员正在寻找更强大、更便宜的替代品。

克莱姆森大学研究员、物理和天文学系副教授RamakrishnaPodila说，硫便宜、储量丰富，理论上比传统锂离子电池材料具有更高的能量密度。

今天的电动汽车每次充电可以行驶约300英里。锂硫电池的续航里程有可能超过400英里，电池组的实际容量高达500瓦时/千克，是锂离子电池的两倍。

这使它成为研究人员的主要目标。

但也存在挑战，最重要的是元素硫的八角形形式在电池的充放电循环中经历了一系列结构和形态变化，使其不稳定并导致电池快速失效。另一方面，硫化聚合物阴极在低硫含量下稳定，因为它们的硫链较短。

“你获得的总能量不仅取决于总电荷，还取决于电荷的空间和时间分布。它们越局部化，你获得的能量就越少。我们表明，当某些量子限制时，总能量可以增加电荷分布的形状被取消了，”Podila说。

研究人员发现，向含硫聚合物中添加氮气可以分散电荷并增加量子电容。

“我们已经证明，元素硫具有高容量，但你无法制造出良好、实用的电池。硫化聚合物中的硫含量不多，但通过在存在的情况下更好地分配电荷，它的效果非常好氮，”Podila说。“因此，实际上，我们可以使用具有高量子电容的硫化聚合物制造电池，这些电池与受多硫化物限制的元素硫电池的实际性能指标相匹配。”

Podila继续说道：“这项研究为了解电池或电容器如何工作的实际量子性质提供了新的见解。我们经常通过将电子视为刚性球来描述电池和电容器中的电流。实际上，电子在微观水平上的行为非常不同，需要特殊的统计处理来描述它们在晶体中的分布。我们的实验揭示了一些有趣的量子效应，这些效应在氮原子存在时表现出来。除了在锂离子电池中的应用之外，我们在量子电容方面的工作有望帮助人们开发更好的电池通过把要事放在首位而不是遵循爱迪生式的方法来实现未来。”