Litium-svavelbatterier (Li-S) är ett lovande alternativ till litiumjonbatterier (LiBs), den vanligaste uppladdningsbara batteritekniken. Eftersom svavel är rikligt på jorden kan dessa batterier vara billigare och mer miljövänliga än LiB, samtidigt som de potentiellt kan uppvisa högre energitätheter.
Trots dessa fördelar har användningen av Li–S-batterier hittills varit begränsad, eftersom många av dessa batterier också har en låg livslängd och en hög självurladdningshastighet. Dessutom blir den förväntade höga energitätheten för Li–S-batterier ofta mycket lägre när de används i verkliga applikationer, på grund av de höga hastigheterna med vilka de laddas och laddas ur.
En kemisk reaktion som spelar en central roll för att säkerställa Li–S-batteriers höga kapacitet är den så kallade svavelreduktionsreaktionen (SRR). Denna reaktion har studerats brett, men dess kinetiska tendenser vid höga strömhastigheter är fortfarande dåligt förstådda.
Forskare vid University of Adelaide, Tianjin University och Australian Synchrotron genomförde nyligen en studie som syftade till att avgränsa den kinetiska trenden för SRR, för att informera om den framtida utvecklingen av högeffekts Li–S-batterier. Deras artikel, publicerad i Nature Nanotechnology , introducerar också en nanokomposit-kolelektrokatalysator som visade sig öka prestandan hos Li–S-batterier och uppnå en urladdningskapacitet på cirka 75 %.
"Aktiviteten hos elektrokatalysatorer för svavelreduktionsreaktionen (SRR) kan representeras med hjälp av vulkanplottar, som beskriver specifika termodynamiska trender," skrev Huan Li, Rongwei Meng och deras kollegor i sin uppsats. "En kinetisk trend som beskriver SRR vid höga strömhastigheter är dock ännu inte tillgänglig, vilket begränsar vår förståelse av kinetikvariationer och hindrar utvecklingen av högeffekts Li||S-batterier. Med Le Chateliers princip som en riktlinje etablerar vi en SRR kinetisk trend som korrelerar polysulfidkoncentrationer med kinetiska strömmar."
För att ytterligare undersöka den kinetiska trenden för SRR vid höga strömmar, samlade forskarna också in synkrotronröntgenadsorptionsspektroskopi och körde olika molekylära orbitala beräkningar. Sammantaget tyder deras resultat på att orbital beläggning i katalysatorer baserade på övergångsmetaller är kopplad till koncentrationen av polysulfid i batterier, och följaktligen även SRR kinetiska förutsägelser.
Baserat på den kinetiska trenden de skildrade designade Li, Meng och deras medarbetare en ny nanokompositelektrokatalysator bestående av ett kolbaserat material och CoZn-kluster. De integrerade sedan denna katalysator i en Li–S-battericell och testade dess prestanda, med fokus på dess laddnings-urladdningshastigheter.
"När elektrokatalysatorn används i en svavelbaserad positiv elektrod (5 mg cm −2 av S-belastning), kan motsvarande Li||S-myntcell (med ett massförhållande elektrolyt:S på 4,8) cyklas i 1 000 cykler vid 8°C (det vill säga 13,4 A gS −1 , baserat på massan av svavel) och 25°C," skrev forskarna.
"Denna cell visar en bibehållande av urladdningskapacitet på cirka 75 % (slutlig urladdningskapacitet på 500 mAh gS −1 ) motsvarande en initial specifik effekt på 26 120 W kgS −1 och specifik energi på 1 306 Wh kgS −1 ."
Sammantaget visar den senaste studien av Li, Meng och deras kollegor att ökade polysulfidkoncentrationer främjar snabbare SRR-kinetik; sålunda kan katalysatorer som ökar polysulfidkoncentrationen påskynda denna reaktion. Detta resultat validerades både via teoretiska beräkningar och experimentella mätningar.
Med utgångspunkt i sina observationer introducerade forskarna redan en elektrokatalysator som visade sig förbättra kapacitetsretentionen och den cykliska stabiliteten hos ett Li-S-batteri. I framtiden kan deras arbete inspirera till utformningen av andra lovande katalysatorer, vilket potentiellt kan bidra till utvecklingen av nya högeffekts Li–S-batteriteknologier.
Mer information: Huan Li et al., Utveckling av högeffekts Li||S-batterier via övergångsmetall/kol nanokompositelektrokatalysatorteknik, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01614-4
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
© 2024 Science X Network
