Den nuvarande litiumjonbatteritekniken har inte den energitäthet som krävs för att möta kraven på förnybar energi. I teorin kan litium-svavelbatterier vara ett gångbart alternativ med högre specifik kapacitet och energitäthet. Men svavel har nackdelar som för närvarande begränsar dess praktiska användning.
En omfattande recension publicerad i Nano Research beskriver hur metallorganiska ramverksbaserade katodmaterial kan förbättra prestanda hos litium-svavelbatterier, vilket gör dem till ett praktiskt alternativ till litiumjonbatterier.
"Användningen av högpresterande litium-svavelbatterier hindras fortfarande av några stora problem, vilket leder till oacceptabel praktisk kapacitet och cykelstabilitet", säger Weihua Chen, forskare vid Zhengzhou University.
"För det första ökar svavlets dåliga elektriska ledningsförmåga och de hos urladdningsprodukterna avsevärt viss intern resistans hos batterierna, vilket begränsar utnyttjandeeffektiviteten för de aktiva materialen. Även kraftig volymetrisk expansion av svavelkatoder efter litieringsprocessen orsakar strukturell pulverisering av elektroder. "
Med dessa begränsningar ger litium-svavelbatterier säkerhetsproblem, såväl som prestandaproblem, som för närvarande förhindrar att de används i stor utsträckning.
Avancerade svavelkatoder gjorda av metallorganiska ramverk skulle kunna vara lösningen. Metallorganiska ramverk är vanligtvis uppbyggda av en metalljon/kluster och har unika egenskaper som hög porositet, justerbar porstorlek och kontrollerbar porstruktur.
Orörda metallorganiska ramverk har ännu inte antagits i litium-svavelbatterier på grund av dålig elektrisk ledningsförmåga och otillräcklig strukturell stabilitet; Men nyare studier har visat hur metallorganiska ramverk kan kombineras med ledande material, såsom grafen, kolnanorör och vissa polymerer.
"På grund av den porösa mikrostrukturen, den ultrastora tillgängliga specifika ytan och den justerbara funktionsgruppen har metall-organiska ramverksbaserade material fått uppmärksamhet av utredare som potentiella katodvärdar för litium-svavelbatterier och har gjort betydande framsteg. Särskilt, metallorganiska ramverksrelaterade material skulle effektivt kunna begränsa upplösningen och diffusionen av polysulfid i elektrolyterna", sa Chen.
Denna recension av publicerade artiklar tittade på orörda metallorganiska ramverk, olika metallorganiska ramverkskompositer och metallorganiska ramverksderivat. Dessa oförändrade oorganiska metaller och organiska komponenter har kristallografiska strukturer och visar lovande när det gäller att lagra det aktiva svavlet. De flesta av dem har dock inte den ledningsförmåga som krävs för effektiv batteridrift.
Metallorganiska ramverkskompositer förbättrar egenskaperna hos metallorganiska ramverk, förbättrar konduktiviteten och förstärker strukturell stabilitet. Grafen, kolnanorör och ledande polymerer är alla genomförbara alternativ för att förbättra begränsningarna hos orörda metallorganiska ramverk. Ett annat alternativ är material som härrör från metallorganiska ramverk eller metallorganiska ramverksderivat.
Till exempel kan metallorganiska ramverk härledda kolmaterial underlätta elektron- och jonöverföringar och lösa volymexpansionsproblemen som finns inom svavelkatoderna, men kan äventyra strukturen hos det metallorganiska ramverket. Forskning pågår om hur dessa olika material kan förbättras och bäst användas i litium-svavelbatterier.
Framöver fortsätter forskare att utforska hur metallorganiska ramverksbaserade material och deras unika egenskaper kan förbättra prestanda hos litium-svavelbatterier.
"Metallorganiska ramverksrelaterade material dyker upp som lovande svavelkatodmaterial för litium-svavelbatterier. Trots betydande framsteg de senaste åren finns det fortfarande utmaningar att övervinna för kommersialiseringen av litium-svavelbatterier. Det kommer att ta tid och ansträngning att uppnå praktisk tillämpning av metallorganiska ramverksrelaterade material i litium-svavelbatterier, men denna översyn kan ge användbar vägledning för den framtida utvecklingen av dessa material, säger Chen.
Mer information: Zhengkun Xie et al, Metallorganiska ramverk-baserade katodmaterial för avancerade Li-S-batterier:En omfattande recension, Nano Research (2024). DOI:10.1007/s12274-024-6481-0
Journalinformation: Nanoforskning
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
