特斯拉的巨型锂离子电池在南澳詹姆斯敦附近储存电力。(Telsa Motors: Timothy Artman)
锂离子电池改变了世界。如果无法以可充电的便携式方式存储大量能量，我们将没有智能手机或其他个人电子设备。该技术的先驱者荣获了2019年诺贝尔化学奖。
但是，随着社会逐渐远离化石燃料，我们需要更彻底的新技术来存储能量，以支持可再生能源发电、电动汽车和其他需求。
一种技术可能是锂硫电池：它们存储的能量比它们的表亲锂离子电池多得多 -- 理论上是某个既定重量的能量的六倍。更重要的是，它们可以由世界各地现成的廉价材料制成。
到目前为止，锂硫电池还不切实际。它们的化学性质使它们能够存储大量的能量，但是内部的能量也会令电池在压力下破裂。我和我的同事们对这些电池进行了一种新设计，可以使它们充电和放电数百次而不会发生故障。我们希望在未来两到四年内准备好一款商用产品。
锂离子电池需要稀土、镍和钴等矿物来制造正极。这些金属的供应有限，价格上涨，其开采往往具有巨大的社会和环境成本。业内人士甚至预测，在不久的将来，可能最早在2022年，这些关键材料就会出现严重短缺。
锂硫电池原型机证明了该技术的有效性，但距离商业化产品还有几年的路要走。(Supplied)
与之相反，硫相对普遍且价格便宜。硫是地球上第16位储量最丰富的元素，矿工每年生产约7,000万吨。这使其成为电池的理想原料，如果我们希望电池被广泛使用的话。此外，锂硫电池依赖于另一种化学反应，这意味着它们的储能能力（称为“比容量”）远大于锂离子电池的储能能力。
面对艰巨工作的人可能会感到压力，如果工作要求超出了他们的承受能力，从而导致生产力或绩效下降。同样的，被要求存储大量能量的电池电极也会承受不断增加的压力。
在锂硫电池中，当带正电的锂离子与被硫颗粒制成的电极被聚合物粘合剂保持在一起在一个碳基质中被吸收时，能量被存储。高存储容量意味着在充满电时，电极膨胀到几乎是其尺寸的两倍。随着电池充放电，膨胀和收缩的循环导致颗粒内聚力的逐渐丧失以及碳基质和聚合物粘合剂的永久变形。
碳基质是电池的重要组成部分，可将电子传递到绝缘硫，然后聚合物会将硫和碳粘合在一起。
当它们变形时，电子在电极上移动的路径（实际上是电线）会被破坏，电池的性能会很快下降。
生产电池的常规方法会在电极的大部分区域上形成连续密集的粘合剂网络，而不会留出太多的自由移动空间。
常规方法适用于锂离子电池，但对于硫，我们必须开发一种新技术。
一个硫电极的CT扫描显示出开放的结构，该结构允许粒子在充电时膨胀。(Supplied)
为了确保我们的电池易于制造且便宜，我们使用与粘结剂相同的材料，但处理方式略有不同。结果是一个类似网状的粘合剂网络，该网络将颗粒保持在一起，但还留出了足够的空间来扩展材料。这些耐膨胀电极可以有效地适应循环压力，从而使硫颗粒能够发挥其全部储能能力。
我的同事Mainak Majumder和Matthew Hill有着将实验室规模的发现转化为实际工业应用的丰富经验，我们的多学科团队拥有从材料合成和功能化，到设计和原型设计，再到电网和电动汽车设备落实的专业知识。
这些电池中的另一个关键成分当然是锂。鉴于澳大利亚是全球领先的生产国，我们认为在这里生产电池是很自然的选择。
我们希望在未来两到四年内准备好一款商用产品。我们正在与行业伙伴合作以扩大这一突破的规模，并期望开发一条用于商业级别生产的生产线。
Mahdokht Shaibani是蒙纳士大学机械和航空航天工程的研究员。本文最初发表在《对话》上。
