Batterier med hög energidensitet är avgörande för att möta efterfrågan på framtida tillämpningar i bärbar elektronik och elektriska fordon. På grund av den teoretiska energitätheten på 2600 Wh/kg, litium-svavelbatteriet anses vara en lovande kandidat för nästa generation, högenergibatterilösningar. Dock, brister i snabb kapacitetsförsämring och låg cyklingseffektivitet har inte lösts, vilket hindrar den praktiska tillämpningen av litiumsvavelbatterisystem. En forskare vid Tsinghua University har föreslagit ett separatorsystem i ternärt lager för litium-svavelbatterier med lång livslängd, hög coulombisk effektivitet, och högt svavelutnyttjande.
"En ny generation uppladdningsbara litium-svavelbatterier är beroende av redoxkemi för multielektronöverföring, " sa Dr. Qiang Zhang vid Tsinghua University till Phys.Org. "Förutom den höga energitätheten, litium-svavelbatterier har fördelar jämfört med rutinmässiga litiumjonbatterier som billigt katodmaterial och lågtemperaturdrift."
Trots fördelen med litiumsvavelsystem, det finns en inneboende skytteleffekt av polysulfidmellanprodukter i en litium-svavelcell. "Sådana skytteleffekter orsakar den låga Coulombic effektiviteten och inducerar kapacitetsförsämring via konsumtion av aktivt svavel och inre kemisk reaktion, " sa Dr Jia-Qi Huang, en docent vid Tsinghua University.
Denna forskargrupp har gjort stora ansträngningar mot en jonselektiv separator för litium-svavelceller. Baserat på fysisk inneslutning och elektrostatisk repulsion, forskarna täckte ytan på rutinmässiga polymerseparatorer med ultratunna grafenoxid (GO) nanoark och gjutit sedan ett tunt Nafion-skikt på det. "I strukturen av separator med tre skikt, makroporös polypropenseparator tjänar som matrisskikt och ger mekanisk styrka för separatorn. GO-skivor bildade ett lager med små kanaler för litiumjontransport och fungerade som ett kompakt barriärlager med syresatta funktionella grupper för att förankra Nafion. På det här sättet, vi kan avsevärt sänka areabelastningen av Nafion-fördröjningsskiktet och bibehålla permselektiviteten för litiumjoner mot polysulfidanjoner. Både elektrostatisk avstötning och storleksselektiv effekt är effektiva med denna strategi." sa Ting-Zhou Zhuang, en masterkandidat i forskargruppen.
Totalt, det funktionella laddningsskiktet på rutinavskiljaren är endast 0,053 mg cm -2 . När den ternära separatorn är inbyggd i litium-svavelbatterier, urladdningskapaciteten förbättrades från 969 till 1057 mAh g -1 ; Coulombic-effektiviteten ökade från 80 till 95 % utan LiNO3-tillsatsen; sönderfallshastigheten minskade från 0,34 % till 0,18 % under 200 cykler; och självurladdningen hämmades. Svavelutnyttjandet nådde 73 % med en hög svavelladdningsmängd på 4,0 mg cm -2 .
"Membranmodifiering har visat sig vara en effektiv metod för litium-svavelbatterier. Ternär membranstruktur utnyttjar varje byggsten på bästa sätt, och den flerskiktiga kompositseparatorn är mer effektiv än en enkelskiktsseparator. Den här strategin öppnar för nya möjligheter för att utveckla multifunktionella separatorer mot bättre batterier, säger Qiang Zhang.
En proof-of-concept ternär separator av en skiktad PP/GO/Nafion designades rationellt, tillverkade, och appliceras i Li-S-batterier med förbättrat svavelutnyttjande, coulombisk effektivitet, och lång cykellivslängd. Detta arbete erbjuder ett koncept av ett ternärt system, där den rationella kombinationen av byggstenar till hierarkiska strukturer var oumbärlig för att fullt ut demonstrera deras roller i det ternära systemet med multifunktioner och multitillämpningar.
