Strukturell hierarki är hörnstenen i den biologiska världen, samt den viktigaste lärdomen som vi har lärt oss från naturen för att utveckla geniala hierarkiska porösa material för olika applikationer inom energiomvandling och lagring. Nyligen, en forskargrupp från Kina, leds av prof. Qiang Zhang vid Tsinghua University, har utvecklat en ny typ av hierarkisk porös grafen (HPG) via en mångsidig kemisk ångavsättning (CVD) på CaO-mallar för högeffekts litium-svavel (Li-S) batterier. Detta arbete publiceras i tidskriften Avancerade funktionella material .

"På grund av den akuta efterfrågan på hållbara energisystem och bärbara energilagringsenheter, Li-S-batteriet har nämnts som det mest lovande alternativet för nästa generations energilagringsenheter, på grund av dess höga teoretiska energitäthet på 2600 Wh kg-1, låg kostnad, och miljövänlighet, ", sade prof. Zhang. "Trots dessa fördelar, den praktiska tillämpningen lider fortfarande av en formidabel utmaning på grund av den inneboende isoleringen av svavel och litiumsulfider, upplösning av polysulfider med en skytteleffekt, och den enorma volymförändringen av katodmaterial under drift."

Forskare har försökt utveckla hierarkiska nanokolmaterial med inställbara strukturella hierarkier och ytegenskaper för användning som Li-S katodställningar för att effektivt lösa dessa problem. Hierarkiska porösa material uppvisar porositeter på mer än en längdskala med olika egenskaper och roller, respektive. Det är viktigt för förbättringen av Li-S batteriprestanda.

"Dock, strategier med en flerstegsprocess eller/och flerskaliga mallar används dominerande för att erhålla hierarkiska porositeter. Det är alltid komplicerat och ogynnsamt för strukturreglerna, " säger Cheng Tang, en doktorand och den första författaren.

För första gången, Cheng föreslog de hierarkiska porösa CaO-partiklarna som effektiva katalytiska mallar för den lättillgängliga CVD-tillväxten av grafen. CaO är ett mycket vanligt och lovande material med låg kostnad, enkel rening, och lovande cykliskt utnyttjande. Dessutom, olika hierarkiska strukturer kan lätt erhållas för CaO, vilket gör det till en mångsidig strategi att tillverka HPG-material med inställbar strukturell hierarki.

Baserat på detta koncept, de fick en hierarkisk porös struktur av grafen med många lediga platser i mikrostorlek, rynkiga porer i mesosstorlek, och stuperade hålrum i makrostorlek. Den kan fungera som en gynnsam ställning för katoder av Li-S-batterier med förbättrat utnyttjande av svavel, hög urladdningskapacitet och effektivitet, överlägsen stabilitet, och utmärkt prisförmåga. De små mesoporerna underlättar infångningen av svavel och polysulfider; mikroporerna och defekta grafenskikten med en hög SSA rymmer en hög svavelbelastning med intim affinitet; de sammankopplade stora mesoporerna och makroporerna förkortar transportsträckan för jon och elektrolyt.

"Vi hoppas att den nya tillverkningsstrategin för hierarkiska porösa grafenmaterial kan förbättra egenskaperna hos katodställningar för praktisk tillämpning av Li-S-batterier." sa Qiang. Ytterligare förbättringar förväntas med mer noggrann design av den hierarkiska strukturen och ytterligare ytmodifiering. Idén som presenteras här öppnar upp nya perspektiv för att utveckla nanoarkitekturerad grafen med metalloxidkatalysatorer, som är fräsch men mångsidig för avstämbara strukturer, rörliga egenskaper, och lovande ansökningar.