Genom att hybridisera sp ² nanokol och nanostrukturerat poröst kol, forskare har skapat ett högenergi och kraftfullt litium-svavelbatteri vid Tsinghua University, visas på volym 24, Utgåva 19 av Avancerat funktionellt material publicerad den 21 maj, 2014.

"Motiverad av den snabba utvecklingen av bärbar elektronik, elektriska fordon, och skörd av förnybar energi, avancerade energilagringsenheter som litiumbatterier är mycket eftertraktade, "sa Dr Qiang Zhang, docent vid Institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Eftersom det traditionella litiumjonbatteriet har uppfyllt sin teoretiska begränsning för energitäthet, vår grupp undersökte den enorma potentialen för litium-svavelbatterier, ett nytt elektrokemiskt energilagringssystem, och har utfört omfattande forskning i ungefär två år. "

Litium-svavelbatterier, använder svavel som katod och metalliskt litium som anod, teoretiskt levererar energitäthet på 2600 Wh kg ^-1 , tre till sex gånger högre än traditionella litiumjonbatterier när svavel och litium reagerar fullt ut. Dessutom, katodmaterialet svavel är naturligt rikligt, låg kostnad, och miljövänlig. Dock, det finns fortfarande flera utmaningar som möts innan litium-svavelbatterier hittar praktisk tillämpning.

"Å ena sidan, svavel är mycket elektrisk och jonisk isolerande. Dess konduktivitet är flera till tio storleksordningar lägre än typiska LiCoO ₂ eller LiFePO ₄ katodmaterial som finns i litiumjonbatterier, kräver 25 till 40 procent mer vikt i ledande medel i hela katoden, därigenom hindra hela demonstrationen av den inneboende höga energitätheten, "Qiang berättade för Phys.org,

"Å andra sidan, på grund av flerstegs- och flerfasreaktionsvägen, den höglösliga mellanprodukten, alltid i form av kedjeliknande polysulfidanjoner, genererar på katodsidan, sprider sig genom membranet, reagerar med litiumanod, och åker tillbaka. Under hela processen, polysulfider löser sig och reagerar irreversibelt med litium och organiska komponenter, orsakar förstörelse av katodstrukturen, utarmning av litiumanod, och förlust av aktiva material. Således, livscykeln är mycket dålig. "

Faktiskt, liknande avancerat anodmaterial som kisel och tenn, det sker en enorm volymförändring (cirka 60-70 procent) när svavel litieras helt till lättare litiumsulfid, vilket leder till att den ledande ställningen misslyckas och även dålig livslängd. För att lösa sådana mångfacetterade problem, forskare behöver utveckla multifunktionellt material med hög elektrisk konduktivitet, en sammankopplad jonväg, och tillräckligt med utrymme för att rymma svavel och fördröja diffusionen av polysulfider.

"Kolmaterial spelar en viktig roll i avancerade energilagringssystem som litium-svavelbatterier på grund av deras utmärkta konduktivitet, mekanisk flexibilitet, och skräddarsydd morfologi och ytkemi ", sade prof. Fei Wei." Vår grupp har undersökt nanokolmaterial under lång tid och utvecklat en rad metoder för massproduktion av kolnanorör (CNT) och grafen, samt deras ansökan om energilagring. Sp ² nanokarbon har extraordinär elektronledning med begränsad specifik ytarea och begränsat utrymme. Nanostrukturerat poröst kol som aktivt kol och mesoporöst kol har hög specifik yta och porositet men låg konduktivitet på grund av den defekta naturen. Eftersom de båda inte kan uppfylla kravet på litium-svavelbatterier, hybridiseringen, eller "äktenskapet" med två sådana material kommer att resultera i att en ny kolananarkitektur ärver fördelarna och uppvisar överlägsen funktionalitet. "

Baserat på detta koncept, Hong-Jie Peng, en doktorand och den första författaren, utvecklat en strategisk kemisk ångavsättningsstrategi följt av kolvätepyrolys och kemisk aktivering. En CNT/grafen/porös kol-nanoarchitektur med extraordinär elektrisk konduktivitet och hierarkiska mikro-/mesoporer tillverkades för en avancerad kol/svavelkompositkatod. Det rationella äktenskapet mellan de två kolmaterialen insåg potentialen i kolmaterial som både elektron/jonväg och aktiv massreservoar. Det resulterande litium-svavel uppvisade förlängd cykellivslängd och överlägsen effektförmåga.

"Vi hoppas att de avancerade kolmaterialen kan hjälpa litium-svavelbatterier att bli jämförbara med det motordrivna systemet för framtida elektriska transporter." sa Hong-Jie. Ytterligare studier kommer att fokusera på ökad areal svavelbelastning och faktiskt innehåll, liksom innovationen av membran, anod, elektrolyt, och hela konfigurationen av cellen. Dessutom, det hybridiserade kolmaterialet har fantastiska tillämpningar i superkondensatorer, natriumjonbatterier, och metall-luftbatterier, och annan teknik.