Vulkanformet trend muliggør rationelt design af polysulfidkatalysatorer i lithium-svovlbatterier

Et fælles forskerhold ledet af prof. Zhang Huigang fra Institute of Process Engineering (IPE) ved det kinesiske videnskabsakademi (CAS) og Dr. Lu Jun fra Argonne National Laboratory, U.S.A., har fundet et "vulkanformet" forhold mellem polysulfidadsorption og katalytisk aktivitet i lithium-svovl (Li-S) batterier.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Catalysis den 16. juni.

Ifølge prof. Zhang kan dette vulkanformede forhold ændre det langvarige princip om, at "stærk adsorption af polysulfider fører til god katalytisk aktivitet."

Li-S-systemet viser et stort potentiale for næste generations batterier på grund af dets høje energitæthed. Imidlertid fører den træge kinetik af polysulfid-omdannelsesreaktioner til "shuttling-effekten" og begrænser hastighedsevnen og cyklerbarheden, hvilket hindrer praktiske anvendelser.

For nylig har mange eksperimentelle undersøgelser rapporteret, at katalytisk omdannelse af polysulfider spiller en afgørende rolle i at forbedre kinetikken og undertrykke polysulfid-shuttling. På trods af betydelige forbedringer i den elektrokemiske ydeevne af Li-S-batterier, har undersøgelser af katalysatorer i høj grad været afhængige af forsøg og fejl, og det styrende princip er forblevet uhåndgribeligt.

I denne undersøgelse påviste forskerne, at selvom en stærk adsorption af polysulfider kan sænke aktiveringsbarrieren for polysulfidkonvertering, hæmmer det igen desorptionen af ​​produkter. Dette skyldes skaleringsprincippet siden polysulfider (fra Li₂ S₈ til Li₂ S₂ /Li₂ S) adsorberes sekventielt på de samme steder under opladning/afladning.

For at regulere adsorptionsenergien og maksimere katalytisk effektivitet, dopede de overgangsmetal ind i den krystallografiske ramme af ZnS. Doteringsmidlerne blev anbragt i stressede tilstande, og deres d-orbitaler blev indstillet i overensstemmelse hermed. Som et resultat havde adsorptionsenergien et lineært forhold til d-båndets centrum af dopingstoffer, men katalytisk aktivitet viste en "vulkanformet" tendens.

En sådan opdagelse indikerer, at en langvarig antagelse om at styrke adsorption for at forbedre katalyse er ugyldig, når desorption er hastighedsbegrænsende. "Katalysatorer og absorbenter i et Li-S-batteri bør designes separat for at forbedre ydeevnen af ​​Li-S-batterier," sagde prof. Zhang.

Denne undersøgelse giver et rationelt grundlag for at forstå den katalytiske proces af Li-S batterier på atomare eller molekylære niveauer og for at designe nye katalysatorer. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler højtydende lithium-svovl-batterier