锂-硫电池被认为是未来储能装置的有希望的候选材料：所需材料便宜，环保且易于获得。最重要的是，这种类型的电池理论上可以提供的能量是目前广泛使用的锂离子电池的三倍。然而，在实践中，仍存在若干障碍：例如，锂-硫电池在重复充电时迅速损失容量。与传统的锂离子电池相比，现在的原型管理的充电周期要少得多-除此之外，它们只能提供理论上可能的能量的一小部分。

PSI的电化学研究人员通过开发一种使用X射线跟踪电池内发生的化学反应的特殊检查方法，对负责容量损失的过程获得了新的见解。他们首次直接看到锂-硫化合物的变化方式以及这会导致容量损失。他们第一次观察到普通的石英粉-沙子的主要成分和玻璃的主要成分-如何改善锂硫电池：添加到电池的液体成分中，它增加了可用的能量并抑制了随着时间的推移而产生的容量损失。其他研究人员此前已经确定石英粉与锂硫电池中的材料相互作用。现在，PSI研究人员已经量化了石英粉可以带来的收益：“使用这种添加剂，锂硫电池的性能提高了25%到30%，”该研究的共同作者，PSI研究员ClaireVillevieille说。“我们只是将石英粉添加到电解液中-即电池的液体成分-就像在衣物中加入洗衣粉一样，”Villevieille说。

石英粉对抗“污垢”

研究人员有充分的理由将他们的添加剂与洗衣粉进行比较：石英粉确实会在电池中结合一种“污垢”。在锂硫电池的运行期间形成所谓的多硫化物。这些是正在运行的锂硫电池的正常组成部分。然而，它们中的一部分将丢失到电池的液体成分中，然后在每个充电和放电循环中在两个电极之间来回移动-研究人员将其称为“穿梭效应”。结果，这些流氓多硫化物与电池的锂电极发生反应，从而减少了可用硫的量-电池中的活性物质-并减少了电池的容量。

可以通过添加石英粉来抵消该过程。“我们发现石英与肥皂结合污垢的方式将多硫化物结合在一起，”ClaireVillevieille报道。这增加并保持了充电容量，因为电池内部保持清洁并且功能更长时间。放电过程的可逆性得到改善。“我们称之为Coulombic效率，”Villevieille说。“它从大约80%增加到90%。”相比之下，传统锂离子电池的库仑效率超过99.9%。“显然，要达到这个数字还有很长的路要走;但这确实是一个很大的进步。”

电池的X射线快照

当PSI研究人员与格勒诺布尔阿尔卑斯大学的一位同事合作，使用一种称为操作X射线衍射的方法检查电池内的化学过程时，揭示了石英的积极作用。通常，使用该技术不能观察到液体，因此电解质中的过程仍然是隐藏的。“X射线衍射仅对有序的晶体结构起作用;然而，电解质中的多硫化物通常以无序的方式移动，”Villevieilles的同事JoannaConder解释说，该研究的第一作者。为了使多硫化物可见，研究人员在电解液中添加了玻璃纤维。多硫化物以有序的方式沉积在纤维表面上。“以这种方式对齐，多硫化物衍射X射线，从而变得可见。这使我们第一次能够跟踪充电和放电过程中电池内多硫化物的积累和转化，“康德说。

出乎意料的是，研究人员发现玻璃纤维减少了不必要的硫化物积累。由于玻璃主要由石英组成，因此开始使用石英粉作为电池中的一种清洁剂的想法是显而易见的。

廉价而直接

两位PSI研究人员承认原则上有其他方法可以防止多硫化物溶解并有助于限制电池功能：“但这些方法要么非常复杂，要么非常昂贵，或两者兼而有之，特别是当方法需要时相比之下，石英就是最便宜的材料。“将这种物质引入电解质中是非常简单的。“这是我们方法的巨大优势，”JoannaConder说。