En tilgang til at designe højeffekts lithiumsvovlbatterier

Lithium-svovl (Li-S)-batterier er et lovende alternativ til lithium-ion-batterier (LiBs), den mest almindelige genopladelige batteriteknologi. Da svovl er rigeligt på Jorden, kan disse batterier være billigere og mere miljøvenlige end LiB'er, mens de også potentielt udviser højere energitætheder.

På trods af disse fordele har udbredelsen af ​​Li–S-batterier hidtil været begrænset, da mange af disse batterier også har en lav cykluslevetid og en høj selvafladningshastighed. Derudover bliver den forudsagte høje energitæthed for Li-S-batterier ofte langt lavere, når de er i virkelige applikationer, på grund af de høje hastigheder, hvormed de oplades og aflades.

En kemisk reaktion, der spiller en central rolle for at sikre den høje kapacitet af Li–S-batterier, er den såkaldte svovlreduktionsreaktion (SRR). Denne reaktion er blevet undersøgt bredt, men dens kinetiske tendenser ved høje strømhastigheder er stadig dårligt forstået.

Forskere ved University of Adelaide, Tianjin University og Australian Synchrotron udførte for nylig en undersøgelse med det formål at afgrænse den kinetiske trend af SRR for at informere om den fremtidige udvikling af højeffekt Li-S-batterier. Deres papir, udgivet i Nature Nanotechnology , introducerer også en nanokomposit kulstof-elektrokatalysator, der viste sig at øge ydeevnen af ​​Li-S-batterier og opnå en afladningskapacitet på cirka 75 %.

"Aktiviteten af ​​elektrokatalysatorer til svovlreduktionsreaktionen (SRR) kan repræsenteres ved hjælp af vulkanplot, som beskriver specifikke termodynamiske tendenser," skrev Huan Li, Rongwei Meng og deres kolleger i deres papir. "Men en kinetisk trend, der beskriver SRR ved høje strømhastigheder, er endnu ikke tilgængelig, hvilket begrænser vores forståelse af kinetiske variationer og hindrer udviklingen af ​​højeffekt Li||S-batterier. Ved at bruge Le Chateliers princip som rettesnor etablerer vi en SRR kinetisk tendens, der korrelerer polysulfidkoncentrationer med kinetiske strømme."

For yderligere at undersøge den kinetiske tendens af SRR ved høje strømme, indsamlede forskerne også synkrotron røntgenadsorptionsspektroskopimålinger og kørte forskellige molekylære orbitale beregninger. Samlet set tyder deres resultater på, at orbital belægning i katalysatorer baseret på overgangsmetaller er forbundet med koncentrationen af ​​polysulfid i batterier, og følgelig også SRR kinetiske forudsigelser.

Baseret på den kinetiske tendens, de afgrænsede, designede Li, Meng og deres samarbejdspartnere en ny nanokompositelektrokatalysator bestående af et kulstofbaseret materiale og CoZn-klynger. De integrerede derefter denne katalysator i en Li-S battericelle og testede dens ydeevne med fokus på dens opladnings-afladningshastigheder.

"Når elektrokatalysatoren bruges i en svovlbaseret positiv elektrode (5 mg cm ⁻² af S-belastning), kan den tilsvarende Li||S-møntcelle (med et elektrolyt:S-masseforhold på 4,8) cykles i 1.000 cyklusser ved 8°C (det vil sige 13,4 A g_S ⁻¹ , baseret på svovlmassen) og 25°C," skrev forskerne.

"Denne celle demonstrerer en afladningskapacitetsretention på omkring 75 % (endelig afladningskapacitet på 500 mAh g_S ⁻¹ ) svarende til en initial specifik effekt på 26.120 W kg_S ⁻¹ og specifik energi på 1.306 Wh kg_S ⁻¹ ."

Samlet set viser den nylige undersøgelse af Li, Meng og deres kolleger, at øgede polysulfidkoncentrationer fremmer hurtigere SRR-kinetik; således kunne katalysatorer, der øger polysulfidkoncentrationen, fremskynde denne reaktion. Dette resultat blev valideret både via teoretiske beregninger og eksperimentelle målinger.

Med udgangspunkt i deres observationer introducerede forskerne allerede en elektrokatalysator, der viste sig at forbedre kapacitetsbevarelsen og den cykliske stabilitet af et Li-S-batteri. I fremtiden kan deres arbejde inspirere til design af andre lovende katalysatorer, hvilket potentielt kan bidrage til udviklingen af ​​nye højeffekt Li-S batteriteknologier.

Flere oplysninger: Huan Li et al., Udvikling af højeffekt Li||S-batterier via overgangsmetal/carbon nanokomposit elektrokatalysatorteknologi, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01614-4

Journaloplysninger: Natur nanoteknologi

© 2024 Science X Network