Efterfrågan på högpresterande energilagringsenheter blomstrar. Det finns ett behov av hög energitäthet, uppladdningsbara batterier, som elfordon, bärbar elektronik, och hållbar energiskörd ökar. Konventionella litiumjonbatterier (Li-ion) är mogna men begränsade i energitäthet, och tillfredsställer inte den ökande efterfrågan på överlägsen energilagring.
Litium-svavel (Li-S) batterier, med tre till fem gånger högre energitäthet (~2600 Wh kg -1 i teorin) än Li-ion-batterier, är en lovande kandidat. "Den oerhört höga energitätheten hos Li−S-batterier beror på den unika reaktionsmekanismen. Omvandlingen mellan svavel och litiumsulfid innebär en fasövergång, ger en extremt hög kapacitet jämfört med interkaleringsmekanismen, " säger Dr Qiang Zhang, professor vid institutionen för kemiteknik, Tsinghua-universitetet, Kina. "I vanliga aprotiska elektrolyter, litieringen av svavel består av en fast-vätske-fast omvandling. De lösliga mellanprodukterna, även känd som litiumpolysulfider, jämna ut redoxprocessen och möjliggör hög katodkapacitet."
Tyvärr, löslig polysulfidmellanprodukt är både en välsignelse och en förbannelse. Samtidigt som det bidrar till den totala kapaciteten, lösligheten av polysulfider åtföljs av diffusivitet, resulterar i irreversibel förlust av aktivt svavel till elektrolyten, anod eller dödvolymer.
"Kapacitetsförsämring orsakad av polysulfiders lossning från katodramverket har varit ett stort problem som hindrar den breda tillämpningen av Li−S-batterier. Den vanliga lösningen för att lösa detta problem hittills är att undertrycka polysulfiddiffusion, som att anta funktionella mellanskikt, anodskyddande tillsatser, och nya elektrolytkonfigurationer, säger Zhe Yuan, den första författaren till detta verk. "Ändå, överflödet av polysulfider i elektrolyten bör inte bara tillskrivas deras oundvikliga diffusion. Den långsamma redoxreaktionshastigheten för polysulfidmellanprodukter är också skyldig."
Zhang och hans medarbetare hittade en spännande analogi med polysulfidspill – en verklig översvämning – och blev inspirerade. "Jämfört med att blockera syndafloden med vallar, att gräva och förstora kanaler eller kanaler är till synes mer effektiva metoder för att mildra översvämningar, " säger Qiang. "På liknande sätt, påskynda polysulfidredoxreaktionen, som ursprungligen är trög, tar bort barriären för polysulfidkonsumtion, och lindrar därför skadliga effekter som induceras av polysulfidackumulering i elektrolyten."
Teamet upptäckte att det var inkompatibiliteten mellan polära litiumpolysulfidmolekyler och vanligt använda nanokolkatodställningar som höll tillbaka redoxreaktiviteten. Nanokolmaterial är utmärkta för Li−S-batterier eftersom de är mycket ledande och porösa. Men deras opolära ytegenskaper gynnar inte att de fästs av heteropolära polysulfider, "I det avseendet, vi spekulerade i att det skulle vara fördelaktigt att lägga till en polär substans med hög affinitet för polysulfider i katodramverket, och det visade sig vara sant, säger Zhe.
Den magiska tillsatsen är koboltdisulfid (CoS 2 ), en halvmetallisk, jord rikligt mineral. Teamet importerade CoS 2 in i grafenramar genom lätt mekanisk blandning. De modifierade katoderna beväpnade med förbättrad interaktion mellan CoS 2 och litiumpolysulfider uppvisade väsentligt accelererade polysulfidredoxreaktioner, främjat energieffektivitet och förhöjd urladdningskapacitet, som rapporterats i Nanobokstäver .
