Heterogene kulstofværter muliggør stabilt lithium-svovl-batteri

Svovl, i enorm overflod som biprodukter fra olieindustrien, er en af ​​de mest spændende løsninger til at løse energidilemmaet ved at manifestere kemien mellem svovl og lithium. Dermed, lithium-svovl-batterier, der anvender lithium-svovl-redox-par, leverer teoretisk en energitæthed på 2600 Wh kg-1, hvilket er 3-5 gange højere end traditionelle lithium-ion-batterier. Selvom en lovende udsigt, der er stadig flere hindringer for deres praktiske anvendelse. En af de mest betydningsfulde er den hurtige kapacitetsfading.

"Det hurtige kapacitetsfald af lithium-svovl-batteriet tilskrives mange aspekter. En af de mest accepterede årsager skyldes de mellemliggende polysulfider. Polysulfider er en overgangsform for svovl, delvist lithieret, som er meget polær og opløselig i den typiske organiske elektrolyt, vi brugte. Under udskrivelsen, de opløses i elektrolytten, diffunderer fra katode til anode, og reagere med lithiumanode. De aktive materialer går tabt på denne måde, forårsager kapacitetsfald, " sagde Dr. Qiang Zhang, lektor ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet. "Dette spørgsmål vækker enorm bekymring, og der gøres en stor indsats for at løse dette problem. Men vi er også interesserede i et andet spørgsmål, den dynamiske fluktuation af affinitet mellem forskellige svovlarter og ledende værtsmaterialer."

"På grund af multi-elektron-overførselsprocessen, svovlarter varierer fra oprindeligt elementært svovl, mellemliggende polysulfider, og slutudledningsprodukt af lithiumsulfider. Svovl er upolært, og udviser således højeste affinitet til konventionelle kulstofværter. Mens polsulfider og lithiumsulfider er meget polære, svækkelse af samspillet mellem dem og kulstof. På grund af dette dårlige samspil, de løsnes let fra kulstofværten og bidrager ikke med kapacitet. Som resultat, ydeevnen af ​​et lithium-svovlbatteri forringes hurtigt, når der kun anvendes rene kulstofværter, sagde Qiang. Derfor, et nøglespørgsmål er, hvordan man vælger et ideelt værtsmateriale med høj affinitet til både upolært svovl og polære polysulfider, samt lithiumsulfider."

Heri, nitrogen-doterede carbon nanorør blev vedtaget som værtsmateriale for svovlkatode. Nitrogenatomer med højere elektronegativitet er inkorporeret i de grafitiske gitter af kulstofnanorør, som er blevet demonstreret evne til at tune den elektroniske struktur og overfladeegenskaber. Hvordan påvirker doping-nitrogenatomerne den elektrokemiske adfærd, når nitrogen-doterede kulstofnanorør anvendes til lithium-svovlbatteri?

Hong-Jie Peng, en kandidatstuderende og den første forfatter, bevidst besvaret dette spørgsmål. "For det første, vi gennemførte en density functional theory (DFT) undersøgelse og designet tre molekylære modeller for at illustrere rent kulstof, kulstof med nitrogen i kanten, som vi kaldte pyridinisk nitrogen, og carbon med nitrogen, der erstatter det centrale carbonatom, som vi kaldte kvartær nitrogen. Gennem teoretisk beregning, vi fandt, at nitrogen-doterede kulstofnanorør udviste stærkere interaktion med polysulfider og lithiumsulfider. Dette tilskrives adsorptionen af ​​disse polære svovlarter på de negativt ladede nitrogen-doterede steder. Det afslørede, at nitrogen-doteret kulstof nanorør kunne være værd at prøve."

"Derefter, vi har netop forberedt nitrogen-doteret kulstof nanorør/svovl-kompositter og samlet batterier for at kontrollere, om vores teoretiske resultater var pålidelige. Utroligt nok, det elektrokemiske eksperiment matchede teoretisk forudsigelse meget godt. Sammenlignet med råkulstof nanorør-baseret batteri, cykellivet blev markant fremmet med seks gange. Desuden, delikat elektrokemisk analyse understøttede teoretiske resultater og celleydelse." sagde Hong-Jie. Dette arbejde foreslår vigtigheden af ​​en stabil dynamisk grænseflade mellem kulstofværter og svovlholdige gæster og kaster et nyt lys over lithium-svovlbatteriets henfaldsmekanisme, som for nylig blev offentliggjort i Avancerede materialegrænseflader .

"Mere avancerede værtsmaterialer, der opfylder kravet om amfifilitet til både upolære og polære svovlarter, vil blive udforsket, " sagde Qiang.