中國的研究人員在釋放鋰硫電池的全部潛能方面邁出了一步，這項技術長期以來被視為當今鋰離子電池的繼任者。來自西北工業大學的團隊開發了一種陽光輔助的電池陰極，解決了該領域面臨的最大挑戰之一：硫化學反應緩慢且效率低下。通過將光催化材料與靈活的碳布相結合，這種電池能夠利用光來幫助推動充電過程中的反應。根據研究團隊的說法，這一結果實現了接近理論能量儲存性能，並能夠僅用陽光進行部分充電，指向離網能源系統的新可能性。
隨著資源短缺和污染問題的加劇，對清潔且可回收能源技術的需求不斷增加。鋰硫電池被認為是強有力的候選者，因為它們能夠儲存比當前的鋰離子電池更多的能量。然而，在實際使用中，它們的性能卻未能達到預期，因為硫及其中間化合物——多硫化物的反應速度過慢且效率不高。一種有前景的解決方案是利用外部物理場來輔助這些反應。其中，光特別吸引人。光能通過光催化加速多硫化物的反應，並使電池能夠直接儲存太陽能，從而減少充電過程中的電力消耗。
然而，設計適合的光響應電極卻非常困難。這種即插即用的光陰極可通過滾涂技術大規模生產，適用於太陽能電動車和高空無人機。中國的研究人員開發了一種靈活的自由立體光電極，由改性聚吡咯的氮掺雜二氧化鈦生長於碳布上，以解決鋰硫電池的關鍵限制。這些電池經常因為長鏈多硫化物在電池內部移動而損失效率，最終形成一種絕緣化合物——硫化鋰，這會浪費活性材料。光能有助於加速這些硫的反應，但許多光電極因為光產生的電荷迅速重組而表現不佳。在新設計中，導電聚合物層和二氧化鈦協同工作，創造出一個內部電場，使電荷保持分離，從而改善可見光驅動硫的氧化還原反應的性能。
新的電池設計通過利用光輔助電池內部的化學反應顯示出明顯的性能提升。首先，硫的反應速度明顯加快。關鍵反應的電阻，通過 Tafel 斜率測量，從每十倍 122 mV 降至 48 mV，顯示出充電轉移變得更容易。硫化鋰的形成也加速，成核時間從 3,600 秒減少至 3,010 秒，並且提供了 17% 更高的容量。這種電池還可以通過電和光兩種方式收集能量，其太陽能到輸出效率達到 0.33%。在一個簡單的示範中，一個硬幣電池在光照下驅動一輛玩具車行駛 288 cm，而在黑暗中僅行駛 212 cm。在正常陽光下充電 2 小時後，相同的電池又能驅動玩具車行駛 77 cm，證明了直接光充電的可行性。
長期測試顯示出良好的耐久性。在 0.5 C 的條件下，電池在 328 次循環後仍然保持 61.7% 的容量。進階分析確認光能保持內部電阻較低，限制了不必要的副反應。展望未來，這種靈活的光陰極可以通過滾涂技術大規模生產，為太陽能輔助電動車和高空無人機開辟了新路徑，因為每一點陽光都至關重要。該團隊的研究詳情已發表在《Nano-Micro Letters》期刊上。
