电动汽车可以行驶得更远，更多的可再生能源可以储存在使用独特粉末状纳米材料的锂硫电池中。
研究人员将粉末(一种称为金属有机骨架的纳米材料)添加到电池的阴极中，以捕获有问题的多硫化物，这些多硫化物通常会在几次充电后导致锂硫电池失效。描述材料及其性能的论文于4月4日在线发表在化学学会期刊Nano Letters上。
能源部太平洋西北国家实验室的材料化学家Jie Xiao说：“锂硫电池有可能为明天的电动汽车供电，但每次充电后它们需要更长时间才能重复充电。” “我们的金属有机框架可能会提供一种新方法来实现这一目标。”
今天的电动汽车通常由锂离子电池供电。但锂离子电池的化学成分限制了它们可储存的能量。结果，电动车辆驾驶员经常担心在需要充电之前他们能走多远。一个有希望的解决方案是锂硫电池，其每质量能量比锂离子电池多四倍。这将使电动车辆在一次充电时能够进一步行驶，并且有助于存储更多可再生能源。然而，锂硫电池的不足之处是它们的寿命要短得多，因为它们目前不能像锂离子电池那样多次充电。
储能101可以在电池如何工作中找到原因。大多数电池有两个电极：一个是带正电的，称为阴极，而第二个是负极，称为阳极。当电子流过连接两者的电线时会产生电流。为了控制电子，带正电的原子通过另一条路径从一个电极移动到另一个电极：电极所在的电解质溶液。
锂硫电池的主要障碍是不必要的副反应，缩短了电池寿命。不希望的行为开始于电池的含硫阴极，该阴极缓慢分解并形成溶解在液体电解质中的称为多硫化物的分子。一些硫 - 电池化学反应的一个重要部分 - 永远不会返回阴极。结果，阴极具有较少的材料以保持反应进行并且电池快速死亡。
更好的电池的新材料全球的研究人员正在努力改进每种电池组件的材料，以延长锂硫电池的使用寿命和主流使用。在这项研究中，肖和她的同事们研究了阴极以阻止多硫化物通过电解质。
已经检查了许多具有小孔的材料以在阴极内物理捕获多硫化物。金属有机骨架是多孔的，但PNNL材料的附加强度是其强烈吸引多硫化物分子的能力。
该框架的带正电荷的镍中心将多硫化物分子紧密地结合到阴极上。结果是一个坐标共价键，当与骨架的多孔结构结合时，会使多硫化物保持不变。
PNNL电化学家郑建明说：“MOF的高度多孔结构是一个优势，它进一步使多硫化物保持紧密，并使其保持在阴极内。”
纳米材料是关键金属有机骨架 - 也称为MOFs - 是由与有机分子或连接体连接的金属簇制成的晶体状化合物。聚类和连接体一起组装成多孔的3-D结构。MOF可以包含许多不同的元素。PNNL的研究人员选择过渡金属镍作为这种特殊MOF的核心元素，因为它具有很强的与硫相互作用的能力。
在实验室测试期间，具有PNNL的MOF阴极的锂硫电池在100次充电和放电循环后保持其初始功率容量的89%。PNNL研究人员展示了其MOF阴极的有效性，现在计划进一步改进阴极材料的混合物，以便能够保持更多的能量。该团队还需要开发更大的原型并对其进行更长时间的测试，以评估阴极在实际大规模应用中的性能。
PNNL还在节能型吸附式制冷机中使用MOF，并开发新的催化剂以加速化学反应。
“MOF最有可能捕获二氧化碳等气体，”肖说。“这项研究开启了锂硫电池作为纳米材料的新领域。”
该研究由能源部能源效率和可再生能源办公室资助。研究人员利用能源部环境分子科学实验室EMSL的仪器分析了MOF阴极上的化学相互作用。
今年1月，肖和她的一些PNNL同事撰写的Nature Communications论文描述了另一种可能的锂硫电池解决方案：开发一种使用石墨屏蔽来阻挡多硫化物的混合阳极。