At bryde formen:Et usædvanligt materialevalg giver utroligt langtidsholdbare batterier

Den enorme stigning i brugen af ​​mobilteknologi, bærbar elektronik, og en bred vifte af bærbare enheder generelt i løbet af de sidste årtier, har drevet forskere verden over til at søge det næste gennembrud inden for genopladelige batterier. Lithium-svovl-batterier (LSB'er) - sammensat af en svovlbaseret katode og lithiumanode nedsænket i en flydende elektrolyt - er lovende kandidater til at erstatte det allestedsnærværende lithium-ion-batteri på grund af deres lave omkostninger og ikke-toksiciteten og overfloden af ​​svovl.

Imidlertid, Det er vanskeligt at bruge svovl i batterier af to grunde. Først, under "afladningscyklussen", opløselige lithiumpolysulfider (LiPS) dannes ved katoden, diffunderer ind i elektrolytten, og nemt nå anoden, hvor de gradvist forringer batteriets kapacitet. Sekund, svovl er ikke-ledende. Dermed, et ledende og porøst værtsmateriale er påkrævet for at rumme svovl og samtidig fange LiPS ved katoden. I den seneste tid, kulstofbaserede værtsstrukturer er blevet udforsket på grund af deres ledningsevne. Imidlertid, kulstofbaserede værter kan ikke fange LiPS.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Avancerede energimaterialer , forskere fra Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology foreslog en ny værtsstruktur kaldet "trombocytordnet mesoporøs silica (pOMS)." Hvad der er usædvanligt ved deres valg er, at silica, et billigt metaloxid, er faktisk ikke-ledende. Imidlertid, silica er meget polært og tiltrækker andre polære molekyler såsom LiPS.

Efter påføring af et ledende carbonbaseret middel til pOMS-strukturen, det oprindelige faste svovl i strukturens porer opløses i elektrolytten, hvorfra det derefter diffunderer mod det ledende kulstofbaserede middel for at blive reduceret for at generere LiPS. På denne måde, svovlen deltager effektivt i de nødvendige elektrokemiske reaktioner på trods af silicaens manglende ledningsevne. I mellemtiden den polære natur af pOMS sikrer, at LiPS forbliver tæt på katoden og væk fra anoden.

Forskerne konstruerede også en analog ikke-polær, stærkt ledende konventionel porøs-carbon-værtsstruktur til at køre sammenlignende eksperimenter med pOMS-strukturen. Prof Jong-Sung Yu, hvem ledede undersøgelsen, bemærkninger:"Batteriet med kulstofværten udviser høj initial kapacitet, der snart falder på grund af den svage interaktion mellem ikke-polær kulstof og LiPS. Silicastrukturen bevarer klart meget mere svovl under kontinuerlige cyklusser; dette resulterer i meget større kapacitetsopbevaring og stabilitet over så mange som 2000 cyklusser. "

Endnu, alt dette taget i betragtning, måske den vigtigste indsigt at udlede af denne undersøgelse er, at værtsstrukturer for LSB'er ikke behøver at være så ledende, som man tidligere har troet. Prof Yu siger, "Vores resultater er overraskende, da ingen måske nogensinde har troet, at ikke-ledende silica kunne være en yderst effektiv svovlvært og endda overgå avancerede kulstofværter." Denne undersøgelse udvider udvalget af værtsmaterialer til LSB'er og kan føre til et paradigmeskifte med at realisere næste generation af svovlbatterier.