Fremtidige batterier:Lithium-svovl med en grafenindpakning

Hvad får du, når du vikler et tyndt ark af "vidundermaterialet" grafen omkring en ny multifunktionel svovlelektrode, der kombinerer en energilagringsenhed og elektron/ion-overførselsnetværk? Et ekstremt lovende elektrodestrukturdesign til genopladelige lithium-svovl-batterier.

Lithium-svovl-batterier er af stor kommerciel interesse, fordi de kan prale af teoretiske specifikke energitætheder, der er betydeligt større end deres allerede veletablerede fætter, lithium-ion batterier.

I journalen APL materialer , fra AIP Publishing, et team af forskere ledet af Dr. Vasant Kumar ved University of Cambridge og professor Renjie Chen ved Beijing Institute of Technology beskriver deres design af en multifunktionel svovlkatode på nanoniveau for at løse præstationsrelaterede problemer såsom lav effektivitet og kapacitetsforringelse.

Metal Organic Frames (MOF'er) har tiltrukket sig masser af opmærksomhed på det seneste, takket være omfattende anvendelser inden for brintlagring, kuldioxidbinding, katalyse og membraner. Og for at skabe deres katode, holdet brugte MOF "som en skabelon" for at producere et ledende porøst kulstofbur – hvor svovl fungerer som vært, og hver svovl-carbon nanopartikel fungerer som energilagringsenheder, hvor elektrokemiske reaktioner forekommer.

"Vores kulstofstillads fungerer som en fysisk barriere for at begrænse de aktive materialer i dens porøse struktur, " forklarede Kai Xi, en forsker ved Cambridge. "Dette fører til forbedret cykelstabilitet og høj effektivitet." De opdagede også, at ved yderligere at pakke svovl-carbon energilagringsenheden ind i et tyndt ark fleksibelt grafen fremskynder transporten af ​​elektroner og ioner.

Hvad ligger bag den forbedrede kapacitet? Hurtig ladningsoverførselskinetik er muliggjort af et sammenkoblet grafennetværk med høj elektrisk ledningsevne, ifølge holdet. Deres arbejde viser, at den sammensatte struktur af et porøst stillads med ledende forbindelser er et lovende elektrodestrukturdesign til genopladelige batterier.

Dette arbejde giver en "grundlæggende, men fleksibel, tilgang til både at forbedre brugen af ​​svovl og forbedre cyklusstabiliteten af ​​batterier, " sagde Xi. "Modificering af enheden eller dens ramme ved doping eller polymercoating kunne tage ydeevnen til et helt nyt niveau."

Med hensyn til applikationer, det nye batteridesigns unikke integration af energilagring med en ion/elektronramme har nu åbnet døren for fremstilling af højtydende ikke-totaktiske (ikke involverer en strukturel ændring til et krystallinsk fast stof) reaktionsbaserede energilagringssystemer.

Hvad er det næste for holdet? "Vi vil fokusere på at fremstille hybride fritstående svovlkatodesystemer for at opnå batterier med høj energitæthed, som vil involvere skræddersyede nye elektrolytkomponenter og opbygning af lithium-"beskyttelseslag" for at forbedre batteriernes elektrokemiske ydeevne, " bemærkede Xi.