Kvantekemiske beregninger hjælper med at screene bedre katodematerialer til høj Li-S batterier

Energilagringssystemer med høj energitæthed er afgørende for at opfylde de stadigt stigende krav fra elektroniske enheder, elektriske køretøjer, og smarte net til intermitterende sol- eller vindkraft. Lithium-svovl (Li-S) batteriet er en lovende kandidat til næste generations energilagring, med en ekstrem høj teoretisk energitæthed, der er fem til syv gange højere end konventionelle LIB'er.

Imidlertid, en række forhindringer hindrer praktisk anvendelse af Li–S-batterier. Et af de store problemer er diffusionen af ​​polysulfidmellemprodukter fra katoden, hvilket forårsager det irreversible tab af aktive materialer og kapacitetsforfald. Nanocarbon med en ikke-polær overflade som katodematerialer kan ikke give tilstrækkelige bindende og begrænsende effekter til at opretholde polysulfider i katoden. I øvrigt, den dårlige elektrokemiske kontakt forårsaget af den svage kombination mellem aktive polysulfider og nanocarbon hæmmer også den hurtige og stabile cyklus af Li-S-celler.

"Heteroatom-doping menes at være en lovende vej til adsorption og immobilisering af polysulfid-mellemprodukter, " siger prof. Qiang Zhang, en forsker fra Tsinghua University, Kina. "Imidlertid, oprindelsen af ​​den forankringseffekt, som heteroatomer giver, er stadig ikke klar, hvilket i vid udstrækning begrænser forbedringen af ​​polysulfiders adsorption og det rationelle design af katodematerialer."

Seneste, Prof. Q. Zhang og kolleger fra Tsinghua University sammen med Prof. B. Li fra Institute of Metal Research rapporterede om en teoretisk undersøgelse af en række dopede nanocarbonmaterialers evne til at fange polysulfider. Det viste, at ved at danne en 'lithiumbinding' (en analog til 'H-binding'), den kemiske modifikation ved anvendelse af N- eller O-dotering øger markant interaktionen mellem carbonværten og polysulfidgæsterne og forhindrer derved effektivt shuttle af polysulfider.

"For første gang, vi gennemførte en parallel kvantekemisk screeningsproces for at vælge de mest effektive dopingelementer, der hjælper med at begrænse polysulfiderne." Tingzheng Hou, siger den første forfatter. "Det viste sig, at N- og O-dopingen i nanocarbonmaterialer kan danne en stærk dipol-dipol elektrostatisk interaktion, som for første gang blev identificeret som den dominerende interaktion mellem dopet nanocarbon og lithiumpolysulfider, mens F, B, P, S- og Cl-doteringsmidler var ude af stand til at danne det."

Eksperimentelt arbejde rapporteret fra andre forskere stemte overens med dette prædiktive resultat. For eksempel, den N-dopede grafenpapirelektrode udviste en høj specifik kapacitet på ca. 1000 mAh g ^-1 efter 100 cyklusser og fremragende coulombisk effektivitet på 98 procent for katolyt-type Li-S-celler. En meget forlænget levetid på over 2000 cyklusser og en ekstrem lav kapacitetsnedbrydningsrate på 0,028 procent pr. cyklus kan således opnås.

"For at opnå den stærke-par effekt mod polysulfider, vi foreslog et sæt regler for det rationelle design af doterede kulstofstilladser i Li-S-batterier baseret på vores beregning, " siger Hou, "Med disse betingelser opfyldt, det doterede kulstof kunne tilbyde en stærk dipol med ensom parvalg for at danne en stærk elektrostatisk dipol-dipol-vekselvirkning med polysulfider og forbedre vekselvirkningen. Nøglefaktoren er dopingatomernes elektronegativitet."

For at belyse vigtigheden af ​​elektronegativitet, et implicit vulkanplotforhold, der korrelerer dopingatomers elektronegativitet med adsorptionsenergierne, blev foreslået af Qiang og kolleger for at kaste lys over dannelsen af ​​den stærke forankringseffekt. Dette forhold giver ny forståelse af screeningen og det rationelle design af dopede nanocarbonmaterialer til immobilisering af polysulfider.

"Hvis vi går et skridt videre fra reglerne og vulkanens plan for at søge et gennembrud ud over den maksimale grænse for monodoping, der er co-doping nanomaterialer, hvor to eller flere dopingstoffer støder op til hinanden synergistisk styrker dipolmomentet og tilbyder endnu bedre affinitet til polysulfider." sagde prof. Qiang. I den nærmeste fremtid, de vil yderligere studere synergieffekten af ​​co-doping og undersøge muligheden for yderligere at forbedre grænsefladeinteraktionerne i katodegrænsefladen.