Vad får du när du lindar ett tunt ark av "undermaterialet" grafen runt en ny multifunktionell svavelelektrod som kombinerar en energilagringsenhet och elektron/jonöverföringsnätverk? En extremt lovande elektrodstrukturdesign för uppladdningsbara litium-svavelbatterier.

Litium-svavelbatterier är av stort kommersiellt intresse eftersom de har teoretiska specifika energidensiteter som är avsevärt högre än de hos deras redan väletablerade kusin, litiumjonbatterier.

I journalen APL-material , från AIP Publishing, ett team av forskare under ledning av Dr. Vasant Kumar vid University of Cambridge och professor Renjie Chen vid Beijing Institute of Technology beskriver sin design av en multifunktionell svavelkatod på nanonivå för att ta itu med prestandarelaterade frågor som låg effektivitet och kapacitetsförsämring.

Metallorganiska ramverk (MOF) har väckt stor uppmärksamhet nyligen, tack vare omfattande tillämpningar inom vätelagring, koldioxidbindning, katalys och membran. Och för att skapa deras katod, teamet använde MOF "som en mall" för att producera en ledande porös kolbur — där svavel fungerar som värd och varje svavel-kol nanopartikel fungerar som energilagringsenheter där elektrokemiska reaktioner inträffar.

"Vår kolställning fungerar som en fysisk barriär för att begränsa de aktiva materialen i sin porösa struktur, " förklarade Kai Xi, en forskare vid Cambridge. "Detta leder till förbättrad cykelstabilitet och hög effektivitet." De upptäckte också att genom att ytterligare linda in svavel-kol-energilagringsenheten i ett tunt ark av flexibel grafen påskyndar transporten av elektroner och joner.

Vad ligger bakom den förbättrade kapaciteten? Snabb laddningsöverföringskinetik möjliggörs av ett sammankopplat grafennätverk med hög elektrisk ledningsförmåga, enligt teamet. Deras arbete visar att den sammansatta strukturen av en porös ställning med ledande anslutningar är en lovande elektrodstrukturdesign för uppladdningsbara batterier.

Detta arbete ger en "grundläggande, men flexibel, strategi för att både förbättra användningen av svavel och förbättra batteriernas cykelstabilitet, ", sa Xi. "Modifiering av enheten eller dess ramverk genom dopning eller polymerbeläggning kan ta prestandan till en helt ny nivå."

När det gäller applikationer, den nya batteridesignens unika integrering av energilagring med ett jon/elektron-ramverk har nu öppnat dörren för tillverkning av högpresterande icke-totaktiska (som inte involverar en strukturell förändring till ett kristallint fast material) reaktionsbaserade energilagringssystem.

Vad händer härnäst för laget? "Vi kommer att fokusera på att tillverka fristående hybridsystem för svavelkatod för att uppnå batterier med hög energidensitet, som kommer att involvera skräddarsydda nya elektrolytkomponenter och bygga litium-"skyddsskikt" för att förbättra batteriernas elektrokemiska prestanda, " noterade Xi.