硫的结合特性实现无溶剂制造的高性能无聚合物硫-碳正极

这种新电池配方为何重要

锂离子电池为我们的手机、笔记本和电动汽车供电，但其制造过程耗能大、成本高且依赖有毒溶剂。本研究考察了一种不同的电池化学体系——锂–硫电池，它使用廉价且丰富的工业副产物硫，承诺提供更高的能量密度和更低的成本。研究人员发现了一种构建基于硫的电极的方法，无需任何液体溶剂或聚合物粘结剂，而是让硫本身充当“粘合剂”。他们的方法有望使未来电池在制造上更便宜、更清洁并且寿命更长。

当前电池工厂面临的问题

大多数商用电池采用湿法“浆料涂布”工艺。储能与导电颗粒与聚合物粘结剂混合并溶解在溶剂中形成浓稠的涂料，然后涂覆在金属箔上并在大型烘箱中干燥。对于锂–硫电池，这种方法存在若干缺点：溶剂通常有毒且回收成本高，浆料的干燥消耗大量能量，聚合物粘结剂既不导电也不导离子，从而增加无用重量和电阻。此外，干燥和再润湿循环会损害硫所需的精细多孔结构，从而削弱这种有前景的化学体系的优势。

让硫成为粘结剂

团队的目标是完全去除溶剂和聚合物粘结剂。他们的关键洞见是：硫通常被视为仅用于储能的活性成分，但如果经过适当处理，也可以充当结构性粘结剂。硫在相对较低的温度下即可软化，远低于其熔点。通过对硫与多孔碳的混合物进行温和加热，然后将其压在铝箔上，软化的硫能够稍微流动，将颗粒锁定在一起并牢牢粘附于金属表面。精心的实验和计算机模拟表明，大约在80°C时，硫颗粒会发生变形并紧密堆积，大幅减少空隙并形成光滑、连贯的层——整个过程不需要额外的粘合剂。

用简单的干压法制造更坚固的电极

为了将这一想法付诸实践，研究人员首先制备了一种硫–碳粉末，其中部分硫被填入碳的微小孔隙中，而额外的硫则形成稍大的颗粒。这种“二元”结构既有助于电接触又有助于机械粘结。然后他们将干粉直接铺在铝箔上并通过加热辊压。在室温下，得到的是脆弱、不均匀的薄膜；而在80°C时，薄膜变得机械上更坚韧，内部孔结构更均匀，离子通道更为笔直。X射线成像和显微观察显示，在较高温度下压制的电极在颗粒之间以及与箔的接触更好，且比传统含粘结剂的浇注薄膜更快、更均匀地吸收液态电解质。

新电极在实际电池中的表现如何

随后，团队在扣式电池和软包电池中测试了这些干压硫–碳电极。在苛刻条件下——快速充放电和数百次循环——80°C压制的电极明显优于室温压制样品和传统含聚合物粘结剂的浆料浇注电极。在适中硫负载下，经优化的干法电极在广泛倍率下提供约1300到600毫安时每克的容量，并在500次循环后仍保持约932毫安时每克的可逆容量。相比之下，浆料浇注电极的容量衰减更快且内阻上升。运行中的显微观察显示，干压电极膨胀和收缩更为均匀，避免了传统设计中常见的开裂和剥离。

这对未来电池意味着什么

对非专业读者来说，核心信息很简单：这项工作展示了一种方法，使硫既作为储能活性成分，又作为锂–硫电池电极的结构性粘合剂。通过依靠简单的干压步骤代替基于溶剂的涂布和聚合物粘结剂，该方法可将电极制造成本削减一半以上，大幅降低能耗与排放，并避免使用有害化学品。同时，所得电极寿命更长、按质量计储能更多。如果这一无溶剂且无粘结剂的工艺能被扩展到大规模生产，可能会推动高能量锂–硫电池成为电动汽车和电网储能的实用、可持续电源。

引用: An, Y., Kim, K., Lee, YJ. et al. Binding properties of sulfur to enable solvent-free fabrication of high-performance polymer-free sulfur-carbon positive electrodes. Nat Commun 17, 2360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69097-6

关键词: 锂–硫电池, 干法电极制造, 硫-碳正极, 无溶剂加工, 储能材料