CaO laver grafenhierarkiet for lithium-svovlbatterier med høj effekt

Strukturelt hierarki er hjørnesten i den biologiske verden, samt den vigtigste lektie, som vi har lært af naturen at udvikle geniale hierarkiske porøse materialer til forskellige anvendelser inden for energiomdannelse og lagring. For nylig, en forskergruppe fra Kina, ledet af prof. Qiang Zhang på Tsinghua University, har udviklet en ny slags hierarkisk porøs grafen (HPG) via en alsidig kemisk dampaflejring (CVD) på CaO-skabeloner til lithium-svovl (Li-S) batterier med høj effekt. Dette værk er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

"På grund af den presserende efterspørgsel efter bæredygtige energisystemer og bærbare energilagringsenheder, Li-S batteriet er blevet nævnt som det mest lovende alternativ til næste generations energilagringsenheder, på grund af dens høje teoretiske energitæthed på 2600 Wh kg-1, lavpris, og miljøvenlighed, "sagde prof. Zhang." På trods af disse fordele, den praktiske anvendelse stadig lider af en formidabel udfordring på grund af den iboende isolering af svovl og lithiumsulfider, opløsningen af ​​polysulfider med en shuttle -effekt, og den enorme volumenændring af katodematerialer under drift. "

Forskere har søgt at udvikle hierarkiske nanocarbonmaterialer med afstembare strukturelle hierarkier og overfladeegenskaber til brug som Li-S katodestilladser for effektivt at løse disse spørgsmål. Hierarkiske porøse materialer udviser porøsiteter i mere end en længdeskala med forskellige egenskaber og roller, henholdsvis. Det er vigtigt for forbedringen af ​​Li-S batteriets ydeevne.

"Imidlertid, strategier med en proces i flere trin eller/og multiskala -skabeloner bruges dominerende til at opnå hierarkiske porøsiteter. Det er altid kompliceret og ugunstigt for strukturforskrifterne, "siger Cheng Tang, en kandidatstuderende og den første forfatter.

For første gang, Cheng foreslog de hierarkiske porøse CaO -partikler som effektive katalytiske skabeloner til let CVD -vækst af grafen. CaO er et meget almindeligt og lovende materiale med en lav pris, let rensning, og lovende cyklisk udnyttelse. Derudover forskellige hierarkiske strukturer kan let opnås for CaO, hvilket gør det til en alsidig strategi at fremstille HPG -materialer med afstemeligt strukturelt hierarki.

Baseret på dette koncept, de opnåede en hierarkisk porøs struktur af grafen med rigelige mikrostørrelser på flyet, mesoserede rynkede porer, og makroiserede struttede hulrum. Det kan tjene som et gunstigt stillads for katoder af Li-S batterier med forbedret udnyttelse af svovl, høj udledningskapacitet og effektivitet, overlegen stabilitet, og fremragende renteevne. De små mesoporer letter indfangning af svovl og polysulfider; mikroporer og defekte grafenlag med et højt SSA kan rumme en høj svovlbelastning med intim affinitet; de sammenkoblede store mesoporer og makroporer forkorter transportafstanden for ion og elektrolyt.

"Vi håber, at den nye fabrikationsstrategi for hierarkiske porøse grafenmaterialer kan forbedre egenskaberne af katodestilladser til praktisk anvendelse af Li-S-batterier." sagde Qiang. Yderligere forbedringer forventes med mere omhyggeligt design af den hierarkiske struktur og yderligere overflademodifikation. Ideen præsenteret her åbner nye perspektiver for at udvikle nanoarchitectured grafen med metaloxidkatalysatorer, som er frisk, men alsidig mod afstembare strukturer, variable egenskaber, og lovende ansøgninger.