Med den snabba utvecklingen av bärbara elektroniska enheter, elbilar, och lagring av förnybar energi, energilagringssystem med hög densitet behövs. Litiumjonbatterier, även om den är mogen och allmänt använd, har stött på den teoretiska gränsen och kan därför inte tillgodose det akuta behovet av hög energitäthet. Litium-svavelbatterier, som äger en teoretisk energitäthet på 2600 Wh kg-1, som är ungefär fyra gånger så mycket som kommersiellt använda litiumjonbatterier, anses vara starka kandidater. Överflödet och miljövänligheten hos elementet svavel som katodmaterial är faktorer i den enorma potentialen hos litium-svavelbatterier. Kombinationen av nanokol och svavel är effektiv för att övervinna svavlets isolerande natur för litiumsvavelbatterier.
"På grund av utmärkt elektrisk ledningsförmåga, mekanisk styrka och kemisk stabilitet, nanokolmaterial har spelat en viktig roll inom området avancerad energilagring, "sade doktor Qiang Zhang, docent vid institutionen för kemiteknik vid Tsinghua University.
Dock, de flesta bidrag om kol/svavelkompositkatoder har en relativt låg arealbelastning av svavel på mindre än 2,0 mg cm -2 , vilket förhindrade en fullständig demonstration av den enastående prestandan hos C/S-kompositkatoder. "Ytkapaciteten för kommersiellt använda litiumjonbatterier är cirka 4 mAh cm -2 , och därför, arealbelastningen av svavel i katoden av litium-svavelbatterier måste förbättras kraftigt, sa Qiang.
Nyligen, forskare från Tsinghua University har skapat en fristående kolnanorörspapperselektrod med hög svavelbelastning för litium-svavelbatterier.
En bottom-up-strategi användes och en hierarkisk struktur utformades och uppnåddes.
"Vi väljer kolnanorör (CNT) som byggstenen", Qiang berättade för Phys.org, "CNTs är en av de mest effektiva och effektiva ledande fyllnadsmedlen för elektroder. Vi valde korta multiväggiga CNTs (MWCNTs) med längder på 10-50 μm som kortdistans elektriskt ledande nätverk för att stödja svavel, såväl som superlånga CNT:er med längder på 1000-2000 μm från vertikalt inriktade CNT:er (VACNT) som både ledande nätverk med lång räckvidd och interpenetrerade bindemedel för den hierarkiska fristående papperselektroden."
"Vi utvecklar en bottom-up-rutin där svavel först spreds väl in i MWCNT-nätverket för att erhålla MWCNT@S-byggstenar och sedan MWCNT@S och VACNTs monterades till makro-CNT-S-filmer via dispersionen i etanol följt av vakuum filtrering", Zhe Yuan, en student vid Tsinghua University, förklarade, "Sådana svavelelektroder med hierarkiska CNT-ställningar kan rymma över 5 till 10 gånger svavelarten jämfört med konventionella elektroder på metallfolieströmsamlare samtidigt som den höga användningsnivån av svavel bibehålls."
I de flesta rapporterade Li-S-celler, aluminiumfolie användes som strömavtagare och en rutinmässig slurrybeläggningsprocedur användes i stor utsträckning. Dock, det fanns ett förhållande på 10 till 50 viktprocent bindemedel, ledande agenter, samt modifiering av prekursorer i elektroden, vilket neutraliserade fördelen med Li-S-system i hög specifik kapacitet.
Häri, ingen aluminiumfolie eller bindemedel användes i denna forskning.
"En initial urladdningskapacitet på 6,2 mAh cm -2 (995 mAh g-1), 60 % användning av svavel, och en långsam cyklisk fädningshastighet på 0,20 %/cykel inom de initiala 150 cyklerna vid en låg strömtäthet på 0,05 C uppnåddes, " säger medförfattaren Jia-Qi Huang från Tsinghua University. "Ytkapaciteten kan ökas ytterligare till 15,1 mAh cm -2 genom att stapla tre CNT-S papperselektroder, med en ytsvavelbelastning av 17,3 mg cm -2 som katoden i en Li-S-cell." Detta arbete publicerades på volym 24, Nummer 39 av Avancerat funktionellt material den 22 oktober, 2014.
Detta proof-of-concept-experiment indikerar att den rationella designen av den nanostrukturerade elektroden erbjuder möjligheten till effektiv användning av aktiva material som praktisk belastning. "Den nuvarande bottom-up-elektrodtillverkningsproceduren är effektiv för framställning av storskaliga flexibla papperselektroder med god fördelning av alla funktionella föreningar, vilket också är gynnsamt för grafen, CNT-grafen, CNT-metalloxidbaserade flexibla elektroder, "Sa Qiang." Den erhållna fristående papperselektroden är lovande för allestädes närvarande tillämpningar av Li-S-batterier med låg kostnad, hög energitäthet för framtida flexibla elektroniska enheter som smart elektronik och roll-up displayer."
