Schematiskt diagram över designprinciper för högeffektiva litium-svavelkatalysatorer. Kredit:Shen Zihan
En gemensam forskargrupp ledd av professor Zhang Huigang från Institute of Process Engineering (IPE) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) och Dr Lu Jun från Argonne National Laboratory, USA, har hittat ett "vulkanformat" samband mellan polysulfidadsorption och katalytisk aktivitet i litium-svavel (Li-S) batterier.
Studien publicerades i Nature Catalysis den 16 juni.
Enligt professor Zhang kan detta vulkanformade förhållande modifiera den långvariga principen att "stark adsorption av polysulfider leder till god katalytisk aktivitet."
Li–S-systemet visar stor potential för nästa generations batterier på grund av dess höga energitäthet. Den tröga kinetiken för polysulfidomvandlingsreaktioner leder emellertid till "skytteleffekten" och begränsar hastighetsförmågan och cyklerbarheten, vilket hindrar praktiska tillämpningar.
Nyligen har många experimentella studier rapporterat att katalytisk omvandling av polysulfider spelar en avgörande roll för att förbättra kinetiken och undertrycka polysulfid-shuttling. Trots betydande förbättringar av den elektrokemiska prestandan hos Li–S-batterier har studier av katalysatorer i hög grad förlitat sig på försök och misstag och den styrande principen har förblivit svårfångad.
I den här studien visade forskarna att även om en stark adsorption av polysulfider kan sänka aktiveringsbarriären för polysulfidomvandling, hindrar den i sin tur desorptionen av produkter. Detta beror på skalningsprincipen eftersom polysulfider (från Li2 S8 till Li2 S2 /Li2 S) adsorberas sekventiellt på samma platser under laddning/urladdning.
För att reglera adsorptionsenergin och maximera katalytisk effektivitet dopade de övergångsmetall in i det kristallografiska ramverket av ZnS. Dopämnena placerades i stressade tillstånd och deras d-orbitaler justerades därefter. Som ett resultat hade adsorptionsenergin ett linjärt samband med d-bandscentrum för dopämnen, men katalytisk aktivitet visade en "vulkanformad" trend.
En sådan upptäckt indikerar att ett långvarigt antagande om att stärka adsorption för att förbättra katalys är ogiltigt när desorption är hastighetsbegränsande. "Katalysatorer och absorbenter i ett Li-S-batteri bör utformas separat för att förbättra prestandan hos Li-S-batterier", säger professor Zhang.
Denna studie erbjuder en rationell grund för att förstå den katalytiska processen för Li-S-batterier på atomära eller molekylära nivåer och för att designa nya katalysatorer. + Utforska vidare
