由于重量輕、能量密度高且可充電，鋰離子電池為許多產品提供動力，從筆記本電腦和手機到電動汽車和牙刷。然而，目前的鋰離子電池已經達到了儲存能量的極限。因此研究人員開始尋找更強大、更便宜的替代品。

據(jù)外媒報道，克萊姆森大學(Clemson University)研究員、物理和天文學系副教授Ramakrishna Podila表示，硫元素便宜、儲量豐富，且理論上比傳統(tǒng)鋰離子電池材料具有更高的能量密度，可作為新的儲能系統(tǒng)。

圖片來源：克萊姆森大學

當前的電動汽車每次充電可以行駛約300英里。鋰硫電池的續(xù)航里程有可能超過400英里，而電池組的實際容量高達500瓦時/千克，是鋰離子電池的兩倍。

但研究鋰硫離子電池的研究仍然存在挑戰(zhàn)。最重要的是元素硫的八角形格式在電池的充放電循環(huán)中經歷了一系列結構和形態(tài)變化，使其不穩(wěn)定并導致電池快速失效。另一方面，硫化聚合物陰極在低硫含量下穩(wěn)定，因為它們的硫鏈較短。

Podila表示：“獲得的總能量不僅取決于總電荷，還取決于電荷的空間和時間分布。它們越局部化，獲得的能量就越少。研究表明，當取消對電荷分布形狀的某些量子限制時，總能量可以增加。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，向含硫聚合物中添加氮氣可以分散電荷并增加量子電容。

Podila表示：“我們已經證明，元素硫具有高容量，但依然無法制造出良好、實用的電池。硫化聚合物中的硫含量不多，但它在氮氣存在的情況下可以更好地分配電荷，因此效果很好。因此，實際上，我們可以使用具有高量子電容的硫化聚合物制造電池，以匹配受多硫化物限制的元素硫電池的實際性能指標。”

Podil繼續(xù)說道：“這項研究為了解電池或電容器如何工作的實際量子性質提供了新的見解。我們經常通過將電子視為剛性球來描述電池和電容器中的電流。實際上，電子在微觀層面上的行為非常不同，需要特殊的統(tǒng)計處理來描述它們在晶體中的分布。我們的實驗揭示了一些有趣的量子效應，這些效應在氮原子存在時表現(xiàn)出來。除了在鋰離子電池中的應用之外，我們在量子電容方面的工作有望助力在開發(fā)出更好的電池。”

相關研究結果以發(fā)表于期刊《Advanced Science》。