Nikkelferrit fremmer lithium-svovlbatteriets kapacitet og cyklusstabilitet

Lithium-svovl (Li-S) batteri kan blive praktisk, hvis 20 procent af de teoretiske energitætheder (2600 Wh/kg eller 2800 Wh/L) kan opnås. Efterforskerne har ambitionen om at nå en energitæthed på 500 Wh/kg i den nærmeste fremtid.

Xue-Ping Gao fra Nankai University, siger, "I øjeblikket, den volumetriske energitæthed på 500 Wh/L er ikke opfyldt. Men det blev allerede realiseret i kommercielle lithium-ion-batterier (LIB'er) for mange år siden. Den lave volumetriske energitæthed er en flaskehals ved praktisk Li-S batteri."

Iboende, svovl har lavere densitet end overgangsmetaloxider som katoder i LIB'er. Værre, for at forbedre den elektrokemiske ydeevne, svovl er normalt tvunget til at lade på forskellige lette kulstofværter, fører til mere lavere volumetrisk kapacitet af svovlbaserede kompositter, og underminere den volumetriske energitæthed af Li-S batteri.

Sammenlignet med kulstofmaterialer, tungmetaloxider tilbyder ikke kun god adsorptionsevne af polysulfider for at undertrykke shuttle-effekten, men også bidrage til at opnå tætte svovlbaserede kompositter med høj tapdensitet. Gao siger, "Baseret på dette, vi udviklede nikkelferrit (NiFe ₂ O ₄ ) porøse hule 1-D nanofibre via elektrospinningsteknologi. Som forberedt NiFe ₂ O ₄ nanofibre blev brugt her som en ny vært for svovl for at øge den volumetriske kapacitet af svovlbaserede kompositter."

Gao beskriver deres eksperiment, "For det første, polysulfidadsorptionstesten afslører den stærke kemisorption mod opløselige polysulfider af NiFe ₂ O ₄ ." Både den stabile adsorptionsgeometri og adsorptionsenergi af Li2S8 på (111) NiFe-plan ₂ O ₄ bekræftes af density Functional Theory (DFT) beregning sammenlignet med carbon nanorør (CNT'er).

Som resultat, S/NiFe ₂ O ₄ komposit leverer en indledende afladningskapacitet på 963,6 mAh/g, og god cyklusstabilitet. "Desuden, S/NiFe2O4-kompositten viser næsten 2 gange højere overlegen volumetrisk kapacitet end S/CNT-komposit. Det kommer ikke som nogen overraskelse, at S/NiFe ₂ O ₄ komposit har en meget større tapdensitet end S/CNT komposit, " han sagde.

Ud over, andre metalferriter MFe ₂ O ₄ (M =Co, Mg, Zn) er også blevet undersøgt som polære værter for svovl, og resultaterne bekræfter metalferriters overlegenhed ved fremstilling af svovlbaserede kompositter med høj gravimetrisk/volumetrisk kapacitet til den potentielle anvendelse af Li-S-batterier med høj gravimetrisk/volumetrisk energitæthed.