Tým vedený profesorem Cheong Ying Chanem z Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute navrhl novou koncepci konstrukce katody pro lithium-sírovou (Li-S) baterii, která výrazně zlepšuje výkon tohoto druhu slibné baterie nové generace. Článek o jejich práci byl publikován v časopise Nature Nanotechnology.
Katoda se skládá z rovnoměrně zabudovaných nanočástic ZnS a jednoatomového katalyzátoru Co-N-C, které vytvářejí dvoukoncová vazebná místa uvnitř vysoce orientovaného makroporézního hostitele, který může účinně imobilizovat a katalyticky přeměňovat polysulfidové meziprodukty během cyklování, čímž se eliminuje člunkový efekt a koroze lithného kovu.
Uspořádané makropóry zvyšují iontový transport při vysokém zatížení sírou vytvořením dostatečných trojfázových hranic mezi katalyzátorem, vodivým nosičem a elektrolytem. Tato konstrukce zabraňuje tvorbě neaktivní síry (mrtvé síry).
Naše katodová struktura vykazuje lepší výkony v pouzdrové konfiguraci článku při vysokém zatížení sírou a provozu s chudým elektrolytem. Váčkový článek na úrovni 1-A-h s pouze 100% přebytkem lithia může poskytnout měrnou energii článku >300 W h kg-1 s coulombickou účinností >95 % po dobu 80 cyklů.
-Zhao et al.
Strategie návrhu makroporézního hostitele s dvojitými koncovými vazebnými místy. Kredit: HKUST
Baterie Li-S mohou potenciálně nabídnout hustotu energie přes 500 Wh/kg, což je výrazně lepší než u Li-ion baterií, které dosahují svého limitu při 300 Wh/kg. Vyšší hustota energie znamená, že přibližný dojezd 400 km (250 mil) elektromobilu poháněného Li-ion bateriemi může být podstatně prodloužen na 600-800 km (373 až 497 mil), pokud bude poháněn Li-S bateriemi.
Přestože výzkumníci po celém světě dosáhli zajímavých výsledků v oblasti Li-S baterií, mezi laboratorním výzkumem a komercializací této technologie v průmyslovém měřítku je stále velká mezera. Jedním z klíčových problémů je polysulfidový člunkový efekt Li-S baterií, který způsobuje postupný únik aktivního materiálu z katody a korozi lithia, což vede ke krátkému životnímu cyklu baterie. Mezi další problémy patří snížení množství elektrolytu v baterii při zachování stabilního výkonu baterie.
Pro řešení těchto problémů tým profesora Zhao spolupracoval se zahraničními výzkumníky a navrhl koncepci konstrukce katody, která by mohla dosáhnout dobrého výkonu Li-S baterií.
Její vysoce orientovaný makroporézní hostitel dokáže rovnoměrně pojmout síru, zatímco uvnitř hostitele jsou zabudována bohatá aktivní místa, která těsně absorbují polysulfid, čímž se eliminuje člunkový efekt a koroze kovového lithia.
Přinesením konstrukčního principu pro sirnou katodu v Li-S bateriích zvýšil společný tým energetickou hustotu baterií a učinil velký krok k jejich industrializaci.
Stále jsme uprostřed základního výzkumu v této oblasti. Naše nová koncepce konstrukce elektrod a související průlom ve výkonu však představují velký krok k praktickému využití baterie nové generace, která je ještě výkonnější a má delší životnost než dnešní lithium-iontové baterie.
-Prof. Zhao
Mezi členy týmu z HKUST patří Prof. Zhao a jeho současní doktorandi ZHAO Chen, ZHANG Leicheng a bývalý doktorand REN Yuxun (absolvent 2019). Dalšími spolupracovníky jsou výzkumníci z Argonne National Laboratory a Stanford University v USA, Xiamen University v pevninské Číně a Imam Abdulrahman Bin Faisal University v Saúdské Arábii.