Ternært lag-separator for at forsinke bevægelsen af ​​polysulfider mod meget stabile lithium-svovl-batterier

Batterier med høj energitæthed er afgørende for at imødekomme efterspørgslen efter fremtidige anvendelser i bærbar elektronik og elektriske køretøjer. På grund af den teoretiske energitæthed på 2600 Wh/kg, lithium-svovl-batteriet betragtes som en lovende kandidat til næste generation, højenergi batteriløsninger. Imidlertid, mangler i hurtig kapacitetsnedbrydning og lav cyklingseffektivitet er ikke blevet løst, som hindrer den praktiske anvendelse af lithium svovl batteri system. En forsker ved Tsinghua University har foreslået et ternært lag separatorsystem til lithium-svovl-batterier med lang levetid, høj coulombisk effektivitet, og høj svovludnyttelse.

"En ny generation af genopladelige lithium-svovl-batterier er afhængige af multi-elektronoverførsel redox-kemi, " sagde Dr. Qiang Zhang ved Tsinghua University til Phys.Org. "Med undtagelse af den høje energitæthed, lithium-svovl-batterier har fordele i forhold til almindelige lithium-ion-batterier, såsom billigt katodemateriale og lav temperatur driftsydelse."

På trods af fordelene ved lithiumsvovlsystemer, der eksisterer en iboende shuttle-effekt af polysulfid-mellemprodukter i en lithium-svovlcelle. "Sådanne shuttle-effekter forårsager den lave Coulombic-effektivitet og inducerer kapacitetsnedbrydning via forbrug af aktivt svovl og intern kemisk reaktion, " sagde Dr. Jia-Qi Huang, en lektor ved Tsinghua University.

Denne forskergruppe har gjort en stor indsats for en ion-selektiv separator til lithium-svovlceller. Baseret på fysisk indespærring og elektrostatisk frastødning, forskerne dækkede overfladen af ​​rutinemæssige polymerseparatorer med ultratynde grafenoxid (GO) nanoark og støbte derefter et tyndt Nafion-lag på det. "I strukturen af ​​ternært lag separator, makroporøs polypropylen separator tjener som matrixlag og giver mekanisk styrke til separatoren. GO-plader dannede et lag med små kanaler til lithiumion-transport og tjente som et kompakt barrierelag med iltede funktionelle grupper til at forankre Nafion. På denne måde vi kan sænke arealbelastningen af ​​det Nafion-retarderende lag betydeligt og opretholde permselektiviteten for lithiumioner mod polysulfid-anioner. Både elektrostatisk frastødning og størrelseselektiv effekt er effektive med denne strategi." sagde Ting-Zhou Zhuang, en masterkandidat i forskningsgruppen.

I alt, det funktionelle belastningslag på rutineseparatoren er kun 0,053 mg cm ^-2 . Når den ternære separator er indbygget i lithium-svovl-batterier, afladningskapaciteten blev forbedret fra 969 til 1057 mAh g ^-1 ; Coulombic-effektiviteten steg fra 80 til 95 % uden LiNO3-additivet; henfaldshastigheden blev reduceret fra 0,34 % til 0,18 % i 200 cyklusser; og selvafladningen blev hæmmet. Svovludnyttelsen nåede 73% med en høj svovlbelastning på 4,0 mg cm ^-2 .

"Membranmodifikation har vist sig at være en effektiv metode til lithium-svovl-batterier. Ternær membranstruktur gør den bedste brug af enhver byggesten, og den flerlags sammensatte separator er mere effektiv end en enkeltlags separator. Denne strategi åbner op for nye muligheder i at udvikle multifunktionelle separatorer mod bedre batterier." sagde Qiang Zhang.

En proof-of-concept ternær separator af en lagdelt PP/GO/Nafion blev rationelt designet, fremstillet, og anvendes i Li-S-batterier med forbedret svovludnyttelse, coulombisk effektivitet, og lang cykellevetid. Dette arbejde tilbyder et koncept om et ternært system, hvor den rationelle kombination af byggeklodser til hierarkiske strukturer var uundværlig for fuldt ud at demonstrere deres roller i det ternære system med multifunktioner og multiapplikationer.