Ægteskab med nanocarbon og nanostruktureret porøst carbon til næste generations batterier

Ved at hybridisere sp ² nanocarbon og nanostruktureret porøst kulstof, forskere har skabt et lithium-svovlbatteri med høj energi og høj effekt ved Tsinghua University, vises på bind 24, Udgave 19 af Avanceret funktionelt materiale offentliggjort den 21. maj, 2014.

"Motiveret af den hurtige udvikling af bærbar elektronik, elektriske køretøjer, og høst af vedvarende energi, avancerede energilagringsenheder såsom lithiumbatterier er meget eftertragtede, "sagde Dr. Qiang Zhang, lektor ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "Da det traditionelle lithium-ion-batteri har opfyldt sin teoretiske begrænsning for energitæthed, vores gruppe undersøgte det enorme potentiale ved lithium-svovlbatterier, et nyt elektrokemisk energilagringssystem, og har udført omfattende forskning i cirka to år. "

Lithium-svovl batterier, ved anvendelse af svovl som katode og metallisk lithium som anode teoretisk set leverer energitæthed på 2600 Wh kg ^-1 , tre til seks gange højere end traditionelle lithium-ion-batterier, når svovl og lithium reageres fuldt ud. Derudover katodematerialet svovl er naturligt rigeligt, lavpris, og miljøvenlig. Imidlertid, der er stadig flere udfordringer, vi møder, før lithium-svovlbatterier finder praktisk anvendelse.

"På den ene side, svovl er stærkt elektrisk og ionisk isolerende. Dens ledningsevne er flere til ti størrelsesordener lavere end typisk LiCoO ₂ eller LiFePO ₄ katodemateriale fundet i lithium-ion-batterier, kræver 25 til 40 procent mere vægt i ledende midler i hele katoden, derved hindrer den fulde demonstration af den iboende høje energitæthed, "Qiang fortalte Phys.org,

"På den anden side, på grund af multi-step og multi-phase reaktionsvejen, det højopløselige mellemprodukt, altid i form af kædelignende polysulfidanioner, genererer på katodesiden, diffunderer gennem membranen, reagerer med lithiumanode, og kører tilbage. Under hele processen, polysulfider opløses og reagerer irreversibelt med lithium og organiske komponenter, forårsager ødelæggelse af katodestrukturen, udtømning af lithiumanode, og tab af aktive materialer. Dermed, livscyklussen er meget dårlig. "

Rent faktisk, ligner avanceret anodemateriale såsom silicium og tin, der er en enorm volumenændring (ca. 60-70 procent), når svovl fuldstændigt litieres til lettere lithiumsulfid, hvilket resulterer i svigt af det ledende stillads og også den dårlige levetid. For at løse sådanne mangesidede problemer, forskere skal udvikle multifunktionelt materiale med høj elektrisk ledningsevne, en sammenkoblet ionvej, og nok plads til at rumme svovl og forsinke diffusion af polysulfider.

"Kulstof spiller en afgørende rolle i avancerede energilagringssystemer som lithium-svovlbatterier på grund af deres fremragende ledningsevne, mekanisk fleksibilitet, og skræddersyet morfologi og overfladekemi "sagde prof. Fei Wei." Vores gruppe har undersøgt nanocarbonmateriale i lang tid og udviklet en række metoder til masseproduktion af kulnanorør (CNT'er) og grafen samt deres ansøgning om energilagring. Sp ² nanocarbon besidder ekstraordinær elektronledningsevne med begrænset specifikt overfladeareal og begrænset plads. Nanostruktureret porøst kul, såsom aktivt kul og mesoporøst kul, har et højt specifikt overfladeareal og porøsitet, men lav ledningsevne på grund af den defekte natur. Da begge to ikke kan opfylde kravet om lithium-svovlbatterier, hybridiseringen, eller 'ægteskab' med to sådanne materialer vil resultere i, at en ny carbon nanoarchitecture arver fordelene og udviser overlegen funktionalitet. "

Baseret på dette koncept, Hong-Jie Peng, en kandidatstuderende og den første forfatter, udviklet en in-situ kemisk dampaflejringsstrategi efterfulgt af carbonhydridpyrolyse og kemisk aktivering. En CNT/grafen/porøs carbon nanoarchitecture med ekstraordinær elektrisk ledningsevne og hierarkiske mikro-/mesoporer blev fremstillet til en avanceret carbon/svovlkomposit katode.Det rationelle ægteskab mellem de to carbonmaterialer realiserede potentialet i kulstof som både elektron/ionvej og aktivt massereservoir. Det resulterende lithium-svovl udviste forlænget cyklustid og overlegen effekt.

"Vi håber, at de avancerede kulstofmaterialer kan hjælpe litium-svovlbatterier med at blive sammenlignelige med det motordrevne system til fremtidig elektrisk transport." sagde Hong-Jie. Yderligere undersøgelser vil fokusere på stigningen i areal svovlbelastning og faktisk indhold, samt innovationen af ​​membran, anode, elektrolyt, og hele konfigurationen af ​​cellen. Derudover det hybridiserede kulstofmateriale har fantastiske anvendelser i superkapacitorer, natriumionbatterier, og metal-luftbatterier, og andre teknologier.