Brug af materiale med høj energitæthed i elektrodedesign forbedrer lithiumsvovlbatterier

Lithium-ion-batterier holder ikke op med energibehovet fra elektroniske enheder med større effekt, elbiler og smarte elnet. For at udvikle batterier med højere kapacitet, forskere har kigget på lithiumsvovlbatterier på grund af svovls høje teoretiske kapacitet og energitæthed.

Men der er stadig flere problemer, der skal løses, før lithiumsvovlbatterier kan bruges i praktiske applikationer, såsom svovls iboende lave elektriske ledningsevne og det hurtige kapacitetsforfald forårsaget af polysulfider, der slipper ud fra katoden.

Det største problem er penduleffekten, der opstår under cykling. Denne effekt forårsager diffusion af polysulfider fra katoden, skabe kapacitetstab. Det forbruger også en masse frisk lithium og elektrolytter, og reducerer batteriets ydeevne.

For at løse pendlingsproblemet og forbedre lithiumsvovlbatteriets ydeevne, forfatterne til et papir udgivet i APL materialer , skabt en sandwich-struktureret elektrode ved hjælp af et nyt materiale, der fanger polysulfider og øger reaktionskinetikken.

ZIF-67 er en metal-organisk ramme (MOF) konstrueret af metalioner eller metalklynger og organiske ligander. Det lover meget inden for gaslagring og -separering, katalyse og energilagring. MOF-afledte materialer er også attraktive til energilagring på grund af deres robuste struktur, porøs overflade og høj ledningsevne.

En sandwich-struktureret elektrode med svovl immobiliseret mellem PZ67-lag, PZ67/S/PZ67, forbedrer den praktiske energitæthed for lithium-svovlbatteriet til tre til fem gange højere end lithium-ion-batterier. PZ67 er sammensat af polære materialer, og det porøse kulstof viste en synergistisk effekt i den kemiske interaktion, fungerede som en fysisk barriere, tilbød en høj ledningsevne for at forhindre polysulfid-shuttling-effekten og forbedrede batteriernes cykelydelse.

"Den porøse PZ67 kan ikke kun absorbere polysulfiderne for at danne en indeslutning, det kan også forbedre kinetikken af ​​de faktiske aktive materialers reaktion under battericykling, " sagde forfatter Siwu Li. "Det betyder, at det også kan forbedre batteriets afladningsspænding, og det er et stort bidrag til at forbedre batteriernes energitæthed."

Den sandwich-strukturerede elektrode, der begrænser opløselige polysulfider, kunne være nyttig for alle, der arbejder med at begrænse opløselige materialer, sagde Li. Hans team planlægger at fortsætte deres arbejde for at opskalere processen med at fremstille hybridelektroden ved hjælp af en varmpresningsprocedure. De planlægger også at løse ustabiliteter på anodesiden af ​​lithiumsvovlbatterier, eventuelt ved at tilføje et beskyttende lag.