芝加哥大學普利茲克分子工程學院（UChicago PME）的研究人員採用了單步磨粉工藝，以評估硫在固態電池中的應用潛力。這種豐富且低成本的元素擁有高理論容量，但至今仍未能大規模應用。隨著電動交通需求的增長，預計到本世紀末，鋰離子電池的需求將比2023年翻一番。鋰和其他成分（例如鋰離子電池中的鈷）的成本上漲，可能成為擺脫化石燃料的主要障礙。相比之下，硫資源豐富，因此在電池中是一種低成本材料。然而，由於其固有的絕緣性和微弱的電子導電性，硫的廣泛應用一直受到限制。UChicago PME的研究人員相信，找到合適的顆粒大小可以改變這一點，使硫在固態電池中更加有用。
電動車製造商熱衷於轉向固態電池，因為這些電池具有更高的安全性。與可能在事故中著火的鋰離子電池不同，固態電池包含非易燃的電解質，這使其本質上更安全。基於硫的固態電池主要由三個組件組成：固態電解質、導電碳和硫活性材料。在電池內部，這三個組件以粉末形式存在，通常是手動混合或分開磨粉後再結合。這兩種方法不僅耗時，還效率低下，因為硫和電解質顆粒之間的接觸不夠緊密，導致利用率低，進而降低電池性能。UChicago PME的研究人員開發了一種單步磨粉工藝，將這三個組件一起磨成粉末，形成了一種亞穩定相，使電解質能夠與硫陰極材料反應，從而提高電池性能。在他們的設置中，基於硫的複合陰極提供了約 1,500 毫安時（mAh）每克的放電比容量，接近硫的理論容量 1,675 mAh 每克。
這項研究不僅解決了固態電池的性能問題，還處理了電池在充放電循環中面臨的另一挑戰，即‘呼吸’現象，這是因為材料在充放電過程中會膨脹和收縮。令人驚訝的是，硫的行為與其他常用材料相反，當其他材料收縮時，硫卻會膨脹，反之亦然。因此，研究人員將硅負極與鋰硫正極配對，讓電池的一側膨脹，同時另一側收縮，彼此補償，降低總厚度變化。
高性能電池需要在現實世界中發揮作用，以實現能源和氣候目標。芝加哥大學的梅恩教授在新聞發布會中指出，這意味著它們必須能夠以低成本大規模生產。UChicago PME、加州大學聖地亞哥分校和LG能源解決方案的合作，持續證明低成本和高性能並不是互斥的。這是一條必須走的道路，才能對現實世界產生持久影響。研究結果已發表在《自然通訊》期刊上。
