Forbedring af lithium-svovl-batterier med metal-organiske ramme-baserede materialer

Den nuværende lithium-ion batteriteknologi har ikke den energitæthed, der er nødvendig for at opfylde kravene til vedvarende energi. I teorien kunne lithium-svovlbatterier være et levedygtigt alternativ med en højere specifik kapacitet og energitæthed. Svovl har dog ulemper, der i øjeblikket begrænser dets praktiske anvendelse.

En omfattende anmeldelse offentliggjort i Nano Research skitserer, hvordan metal-organiske rammebaserede katodematerialer kunne forbedre ydeevnen af ​​lithium-svovl-batterier, hvilket gør dem til et praktisk alternativ til lithium-ion-batterier.

"Anvendelsen af ​​højtydende lithium-svovl-batterier er stadig hæmmet af nogle store problemer, hvilket fører til uacceptabel praktisk kapacitet og cykelstabilitet," sagde Weihua Chen, en forsker ved Zhengzhou University.

"For det første øger svovlens dårlige elektriske ledningsevne og de af afladningsprodukterne en vis indre modstand i batterierne betydeligt, hvilket begrænser udnyttelseseffektiviteten af ​​de aktive materialer. Også alvorlig volumetrisk udvidelse af svovlkatoder efter lithiationsprocessen forårsager den strukturelle pulverisering af elektroder. "

Med disse begrænsninger giver lithium-svovl-batterier sikkerhedsproblemer såvel som ydeevneproblemer, som i øjeblikket forhindrer deres brede anvendelse.

Avancerede svovlkatoder lavet af metal-organiske rammer kunne være løsningen. Metalorganiske rammer er typisk opbygget af en metalion/klynge og har unikke egenskaber såsom høj porøsitet, justerbar porestørrelse og kontrollerbar porestruktur.

Uberørte metal-organiske rammer er endnu ikke blevet vedtaget i lithium-svovl-batterier på grund af dårlig elektrisk ledningsevne og utilstrækkelig strukturel stabilitet; nyere undersøgelser har imidlertid vist, hvordan metal-organiske rammer kan kombineres med ledende materiale, såsom grafen, carbon nanorør og nogle polymerer.

"På grund af den porøse mikrostruktur, det ultra-store tilgængelige specifikke overfladeareal og den justerbare funktionsgruppe har metal-organiske ramme-baserede materialer fået efterforskernes opmærksomhed som potentielle katodeværter for lithium-svovl-batterier og har gjort betydelige fremskridt. Især, metal-organiske ramme-relaterede materialer kunne effektivt begrænse opløsningen og diffusionen af ​​polysulfid i elektrolytterne," sagde Chen.

Denne gennemgang af publicerede artikler kiggede på uberørte metal-organiske rammer, forskellige metal-organiske ramme-kompositter og metal-organiske ramme-derivater. Disse uændrede uorganiske metal og organiske komponenter har krystallografiske strukturer og viser lovende lagring af det aktive svovl. De fleste af dem har dog ikke den ledningsevne, der er nødvendig for effektiv batteridrift.

Metal-organiske ramme-kompositter forbedrer egenskaberne af metal-organiske rammer, forbedrer ledningsevnen og forstærker strukturel stabilitet. Grafen, carbonnanorør og ledende polymerer er alle levedygtige muligheder for at forbedre begrænsningerne ved uberørte metalorganiske rammer. Et andet alternativ er materialer, der er afledt af metalorganiske rammer eller metalorganiske skeletderivater.

For eksempel kan metal-organiske skeletteafledte kulstofmaterialer lette elektron- og ionoverførsler og løse volumenudvidelsesproblemerne, der findes inden for svovlkatoderne, men kan kompromittere strukturen af ​​den metalorganiske struktur. Der forskes løbende i, hvordan disse forskellige materialer kan forbedres og bedst udnyttes i lithium-svovl-batterier.

Når vi ser fremad, fortsætter forskere med at udforske, hvordan metal-organiske ramme-baserede materialer og deres unikke egenskaber kan forbedre ydeevnen af ​​lithium-svovl-batterier.

"Metal-organiske ramme-relaterede materialer dukker op som lovende svovlkatodematerialer til lithium-svovl-batterier. På trods af betydelige fremskridt i de senere år er der stadig udfordringer at overvinde for kommercialiseringen af ​​lithium-svovl-batterier. Det vil tage tid og kræfter at opnå praktisk anvendelse af metal-organiske ramme-relaterede materialer i lithium-svovl-batterier, men denne gennemgang kan give nyttig vejledning til den fremtidige udvikling af disse materialer," sagde Chen.

Flere oplysninger: Zhengkun Xie et al., Katodematerialer baseret på metalorganiske rammer til avancerede Li-S-batterier:En omfattende gennemgang, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6481-0

Journaloplysninger: Nanoforskning

Leveret af Tsinghua University Press