Et hold under ledelse af professor Cheong Ying Chan fra Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute har foreslået et nyt koncept for design af en ny katode til lithium-svovl-batteri (Li-S), som forbedrer ydeevnen af dette lovende næste generations batteri betydeligt. En artikel om deres arbejde er offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology.
Katoden er sammensat af ensartet indlejrede ZnS-nanopartikler og Co-N-C-katalysator med et enkelt atom for at danne dobbeltbindingssteder inde i en stærkt orienteret makroporøs vært, som effektivt kan immobilisere og katalytisk konvertere polysulfidintermediater under cyklingen og dermed eliminere shuttle-effekten og lithiummetalkorrosion.
De ordnede makroporer forbedrer ionisk transport under høj svovlbelastning ved at danne tilstrækkelige tredobbeltfasegrænser mellem katalysator, ledende bærestof og elektrolyt. Dette design forhindrer dannelsen af inaktivt svovl (dødt svovl).
Vores katodestruktur viser forbedrede præstationer i en pouch-cellekonfiguration under høj svovlbelastning og magert elektrolytdrift. En pouch-celle på 1-A-h-niveau med kun 100 % lithiumoverskud kan levere en cellespecifik energi på >300 W h kg-1 med en coulombisk effektivitet >95 % i 80 cyklusser.
-Zhao et al.
Designstrategi for den makroporøse vært med dobbeltbundne steder i en ende. Credit: HKUST
Li-S-batterier kan potentielt tilbyde en energitæthed på over 500 Wh/kg, hvilket er betydeligt bedre end Li-ion-batterier, der når deres grænse ved 300 Wh/kg. Den højere energitæthed betyder, at den ca. 400 km (250 miles) lange rækkevidde for et elektrisk køretøj, der drives af Li-ion-batterier, kan udvides betydeligt til 600-800 km (373-497 miles), hvis det drives af Li-S-batterier.
Mens forskere verden over har opnået spændende resultater med Li-S-batterier, er der stadig en stor kløft mellem laboratorieforskning og kommercialisering af teknologien i industriel skala. Et af de vigtigste problemer er Li-S-batteriers polysulfid-shuttle-effekt, som forårsager en gradvis udsivning af aktivt materiale fra katoden og lithiumkorrosion, hvilket resulterer i en kort levetid for batteriet. Andre udfordringer er at reducere mængden af elektrolyt i batteriet og samtidig opretholde en stabil batteriydelse.
For at løse disse problemer samarbejdede professor Zhaos hold med internationale forskere om at foreslå et katode-designkoncept, der kan opnå en god Li-S-batteriydelse.
Deres højt orienterede makroporøse vært kan ensartede rumme svovl, mens rigelige aktive steder er indlejret inde i værten for at absorbere polysulfidet tæt, hvilket eliminerer pendeleffekten og lithiummetalkorrosion.
Gennem at bringe et designprincip for en svovlkatode i Li-S-batterier frem, øgede det fælles team batteriernes energitæthed og tog et stort skridt i retning af industrialisering af batterierne.
Vi er stadig midt i grundforskningen på dette område. Men vores nye elektrode-designkoncept og det tilhørende gennembrud i ydeevne repræsenterer et stort skridt i retning af praktisk anvendelse af en næste generation af batterier, der er endnu kraftigere og længerevarende end de nuværende lithium-ion-batterier.
-Prof. Zhao
Teammedlemmer fra HKUST omfatter professor Zhao og hans nuværende ph.d.-studerende ZHAO Chen, ZHANG Leicheng og den tidligere ph.d.-studerende REN Yuxun (kandidat 2019). Andre samarbejdspartnere omfatter forskere fra Argonne National Laboratory og Stanford University i USA, Xiamen University på det kinesiske fastland og Imam Abdulrahman Bin Faisal University i Saudi-Arabien.