Svavel, i oerhört överflöd som biprodukter från petroleumindustrin, är en av de mest spännande lösningarna för att ta itu med energidilemmat genom att manifestera kemin mellan svavel och litium. Således, litium-svavelbatterier som använder litium-svavel-redox-par levererar teoretiskt en energitäthet på 2600 Wh kg-1, vilket är 3-5 gånger högre än traditionella litiumjonbatterier. Även om det är lovande, det finns fortfarande flera hinder som hindrar deras praktiska tillämpning. En av de viktigaste är den snabba kapacitetsavklingningen.
"Den snabba kapacitetsnedgången hos litium-svavelbatteriet tillskrivs många aspekter. En av de mest accepterade orsakerna beror på de mellanliggande polysulfiderna. Polysulfider är en övergångsform av svavel, delvis lithierad, som är mycket polär och löslig i den typiska organiska elektrolyten vi använde. Under utskrivning, de löses upp i elektrolyten, diffundera från katod till anod, och reagerar med litiumanod. De aktiva materialen går förlorade på detta sätt, orsakar att kapaciteten bleknar, " sa Dr Qiang Zhang, en docent vid institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet. "Denna fråga orsakar enorm oro och stora ansträngningar görs för att ta itu med detta problem. Men vi är också intresserade av en annan fråga, den dynamiska fluktuationen av affinitet mellan olika svavelarter och ledande värdmaterial."
"På grund av multi-elektronöverföringsprocessen, svavelarter varierar från initialt elementärt svavel, mellanliggande polysulfider, och slutlig utsläppsprodukt av litiumsulfider. Svavel är opolärt, och uppvisar således högsta affinitet till konventionella kolvärdar. Medan polsulfider och litiumsulfider är mycket polära, försvagar interaktionen mellan dem och kol. På grund av denna dåliga interaktion, de lossnar lätt från kolvärden och bidrar inte med någon kapacitet. Som ett resultat, prestandan hos ett litium-svavelbatteri försämras snabbt när endast rena kolvärdar används, sade Qiang. Följaktligen, en nyckelfråga är hur man väljer ett idealiskt värdmaterial med hög affinitet till både opolärt svavel och polära polysulfider, såväl som litiumsulfider."
Häri, kvävedopade kolnanorör antogs som värdmaterial för svavelkatod. Kväveatomer med högre elektronegativitet införlivas i de grafitiska gittren av kolnanorör, som har visats förmåga att ställa in den elektroniska strukturen och ytegenskaperna. Hur påverkar dopningskväveatomerna det elektrokemiska beteendet när kvävedopade kolnanorör appliceras för litium-svavelbatteri?
Hong-Jie Peng, en doktorand och första författare, svarade medvetet på denna fråga. "För det första, vi genomförde en densitetsfunktionsteoristudie (DFT) och designade tre molekylära modeller för att illustrera rent kol, kol med kväve i kanten, som vi kallade pyridiniskt kväve, och kol med kväve som ersätter den centrala kolatomen, som vi kallade kvartärt kväve. Genom teoretisk beräkning, vi fann kvävedopade kolnanorör uppvisade starkare interaktion med polysulfider och litiumsulfider. Detta tillskrivs adsorptionen av dessa polära svavelarter på de negativt laddade kvävedopade platserna. Det avslöjade att kvävedopat kolnanorör kan vara värt att prova."
"Sedan, vi har precis förberett kvävedopade kolnanorör/svavelkompositer och satt ihop batterier för att kontrollera om våra teoretiska resultat var tillförlitliga. Otroligt, det elektrokemiska experimentet matchade teoretisk förutsägelse mycket väl. Jämfört med råkol nanorör-baserat batteri, cykellivet främjades avsevärt sex gånger. Vidare, känslig elektrokemisk analys stödde teoretiska resultat och cellprestanda." sa Hong-Jie. Detta arbete föreslår vikten av ett stabilt dynamiskt gränssnitt mellan kolvärdar och svavelinnehållande gäster och kastar ett nytt ljus över litium-svavelbatteriets sönderfallsmekanism, som nyligen publicerades i Avancerade materialgränssnitt .
"Mer avancerade värdmaterial som uppfyller kraven på amfifilitet för både opolära och polära svavelarter kommer att utforskas, sa Qiang.
