För att utveckla batterier med högre kapacitet, forskare har tittat på litiumsvavelbatterier på grund av svavlets höga teoretiska kapacitet och energitäthet. Men det finns fortfarande flera problem att lösa innan de kan omsättas i praktiska tillämpningar. Den största är skytteleffekten som uppstår under cykling. För att lösa detta problem och förbättra litiumsvavelbatteriets prestanda, forskarna skapade en sandwich-strukturerad elektrod med ett nytt material som fångar polysulfider och ökar reaktionskinetiken. Fyra varianter av katoddesign testades:a) bar svavelelektrod, b) den delvis begränsade strukturen PZ67/S, c) den delvis instängda strukturen S/PZ67 och d) den helt slutna, sandwichstruktur PZ67/S/PZ67, som överträffade de andra i både initial kapacitet och kapacitet efter battericykling. Kredit:Xing Gao, Siwu Li, Ying Du och Bo Wang
Litiumjonbatterier håller inte jämna steg med energibehovet från elektroniska enheter med högre effekt, elfordon och smarta elnät. För att utveckla batterier med högre kapacitet, forskare har tittat på litiumsvavelbatterier på grund av svavlets höga teoretiska kapacitet och energitäthet.
Men det finns fortfarande flera problem att lösa innan litiumsvavelbatterier kan användas i praktiska tillämpningar, såsom svavels inneboende låga elektriska ledningsförmåga och det snabba kapacitetsavfallet orsakat av polysulfider som läcker ut från katoden.
Det största problemet är skytteleffekten som uppstår under cykling. Denna effekt orsakar diffusion av polysulfider från katoden, skapar kapacitetsförlust. Det förbrukar också mycket färskt litium och elektrolyter, och minskar batteriets prestanda.
För att lösa skyttelproblemet och förbättra litiumsvavelbatteriets prestanda, författarna till en tidning publicerad i APL-material , skapat en sandwichstrukturerad elektrod med ett nytt material som fångar polysulfider och ökar reaktionskinetiken.
ZIF-67 är ett metall-organiskt ramverk (MOF) konstruerat av metalljoner eller metallkluster och organiska ligander. Det lovar mycket när det gäller gaslagring och separation, katalys och energilagring. MOF-härledda material är också attraktiva för energilagring på grund av sin robusta struktur, porös yta och hög ledningsförmåga.
En sandwichstrukturerad elektrod med svavel immobiliserat mellan PZ67-skikt, PZ67/S/PZ67, förbättrar den praktiska energitätheten för litiumsvavelbatteriet till tre till fem gånger högre än för litiumjonbatterier. PZ67 är sammansatt av polära material, och det porösa kolet visade en synergistisk effekt i den kemiska interaktionen, fungerade som en fysisk barriär, erbjöd en hög ledningsförmåga för att förhindra polysulfid-shuttling-effekten och förbättrade batteriernas cykelprestanda.
"Den porösa PZ67 kan inte bara absorbera polysulfiderna för att bilda en inneslutning, det kan också förbättra kinetiken för de faktiska aktiva materialens reaktion under battericykeln, " sa författaren Siwu Li. "Det betyder att det också kan förbättra batteriets urladdningsspänning, och det är ett stort bidrag till att förbättra batteriernas energitäthet."
Den sandwichstrukturerade elektroden som begränsar lösliga polysulfider kan vara användbar för alla som arbetar med att begränsa lösliga material, sa Li. Hans team planerar att fortsätta sitt arbete för att skala upp processen att tillverka hybridelektroden med hjälp av en varmpressningsprocedur. De planerar också att ta itu med instabiliteter på anodsidan av litiumsvavelbatterier, eventuellt genom att lägga till ett skyddande lager.
