Sulfifile elektrokatalysatorer udgraver polysulfid-oversvømmelsen i Li−S-batterier

Efterspørgslen efter højtydende energilagringsenheder blomstrer. Der er behov for høj energitæthed, genopladelige batterier, som elbiler, bærbar elektronik, og bæredygtig energihøst er stigende. Konventionelle lithium-ion (Li-ion) batterier er modne, men begrænsede i energitæthed, og opfylder ikke den stigende efterspørgsel efter overlegen energilagring.

Lithium-svovl (Li-S) batterier, med tre til fem gange højere energitæthed (~2600 Wh kg ^-1 i teorien) end Li-ion-batterier, er en lovende kandidat. "Den enormt høje energitæthed af Li−S batterier skyldes den unikke reaktionsmekanisme. Omdannelsen mellem svovl og lithiumsulfid involverer en faseovergang, giver en ekstrem høj kapacitet sammenlignet med interkalationsmekanismen, " siger Dr. Qiang Zhang, professor ved Institut for Kemiteknik, Tsinghua Universitet, Kina. "I almindeligt anvendte aprotiske elektrolytter, lithiation af svovl er sammensat af en fast-væske-fast omdannelse. De opløselige mellemprodukter, også kendt som lithium polysulfider, udjævn redoxprocessen og muliggør høj katodekapacitet."

Desværre, opløseligt polysulfidmellemprodukt er både en velsignelse og en forbandelse. Samtidig med at det bidrager til den samlede kapacitet, opløseligheden af ​​polysulfider er ledsaget af diffusivitet, resulterer i irreversibelt tab af aktivt svovl til elektrolyt, anode eller dødvolumener.

"Kapacitetsnedbrydning forårsaget af polysulfiders løsrivelse fra katoderammen har været et stort problem, der hindrer den brede anvendelse af Li−S-batterier. Den sædvanlige løsning til at løse dette problem til dato er at undertrykke polysulfiddiffusion, såsom vedtagelse af funktionelle mellemlag, anodebeskyttende tilsætningsstoffer, og nye elektrolytkonfigurationer, " siger Zhe Yuan, den første forfatter til dette værk. "Ikke desto mindre, overløbet af polysulfider i elektrolyt bør ikke kun tilskrives deres uundgåelige diffusion. Den langsomme redoxreaktionshastighed af polysulfidmellemprodukter er også skylden."

Zhang og hans kolleger fandt en spændende analogi af polysulfidoverløb - en faktisk oversvømmelse - og blev inspireret. "Sammenlignet med at blokere syndfloden med volde, gravning og udvidelse af kanaler eller kanaler er tilsyneladende mere effektive metoder til at afbøde oversvømmelser, " siger Qiang. "På samme måde, fremskynde polysulfid redoxreaktion, som oprindeligt er træg, fjerner barrieren for polysulfidforbrug, og lindrer derfor skadelige virkninger induceret af polysulfidakkumulering i elektrolytten."

Holdet opdagede, at det var inkompatibiliteten mellem polære lithiumpolysulfidmolekyler og almindeligt anvendte nanocarbon katodestilladser, der begrænsede redoxreaktiviteten. Nanocarbon materialer er fremragende til Li−S batterier, da de er meget ledende og porøse. Men deres ikke-polære overfladekarakteristika favoriserer ikke at blive bundet af heteropolære polysulfider, "I den forstand vi spekulerede i, at det ville være fordelagtigt at tilføje et polært stof med høj affinitet for polysulfider til katoderammen, og det viste sig at være sandt, " siger Zhe.

Det magiske tilsætningsstof er koboltdisulfid (CoS ₂ ), en halvmetallisk, jordrigt mineral. Holdet importerede CoS ₂ ind i grafenrammer ved let mekanisk blanding. De modificerede katoder bevæbnet med forbedret interaktion mellem CoS ₂ og lithiumpolysulfider udviste væsentligt accelererede polysulfid-redoxreaktioner, fremmet energieffektivitet og øget udledningskapacitet, som rapporteret i Nano bogstaver .