Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston (HKUST) energiainstituutin professori Cheong Ying Chanin johtama työryhmä on ehdottanut uudenlaista katodin suunnittelukonseptia litium-rikki (Li-S) -akulle, joka parantaa merkittävästi tämän lupaavan seuraavan sukupolven akun suorituskykyä. Heidän työstään on julkaistu artikkeli Nature Nanotechnology -lehdessä.
Katodi koostuu tasaisesti upotetuista ZnS-nanohiukkasista ja yhden atomin Co-N-C-katalysaattorista, jotka muodostavat kaksoispäätteisiä sitoutumiskohtia erittäin suuntautuneen makrohuokoisen isännän sisälle, joka voi tehokkaasti immobilisoida ja muuntaa katalyyttisesti polysulfidiväliaineita syklien aikana, mikä eliminoi sukkulavaikutuksen ja litiummetallin korroosion.
Järjestetyt makrohuokoset parantavat ionien kuljetusta suuressa rikkikuormituksessa muodostamalla riittävät kolmoisfaasirajat katalyytin, johtavan tuen ja elektrolyytin välille. Tämä rakenne estää inaktiivisen rikin (kuolleen rikin) muodostumisen.
Katodirakenteemme osoittaa parempaa suorituskykyä pussikennokokoonpanossa korkeassa rikkikuormituksessa ja laihassa elektrolyyttikäytössä. 1-A-h-tason pussikenno, jossa on vain 100 % litiumylijäämä, voi tuottaa kennon ominaisenergian >300 W h kg-1 Coulombin hyötysuhteella >95 % 80 syklin ajan.
-Zhao et al.
Makrohuokoisen isännän suunnittelustrategia, jossa on kaksoissidontakohdat. Credit: HKUST
Li-S-akut voivat potentiaalisesti tarjota yli 500 Wh/kg:n energiatiheyden, joka on huomattavasti parempi kuin Li-ioniakkujen, jotka saavuttavat rajansa 300 Wh/kg:ssa. Suurempi energiatiheys tarkoittaa, että Li-ioni-akuilla toimivan sähköauton noin 400 kilometrin (250 mailin) toimintasäde voidaan pidentää huomattavasti 600-800 kilometriin (373-497 mailiin), jos se toimii Li-S-akuilla.
Tutkijat eri puolilla maailmaa ovat saavuttaneet jännittäviä tuloksia Li-S-akkujen parissa, mutta laboratoriotutkimuksen ja tekniikan kaupallistamisen teollisen mittakaavan välissä on edelleen suuri ero. Yksi keskeinen ongelma on Li-S-akkujen polysulfidisukkula-ilmiö, joka aiheuttaa aktiivisen materiaalin asteittaista vuotoa katodista ja litiumin korroosiota, mikä johtaa akun lyhyeen elinkaareen. Muita haasteita ovat elektrolyytin määrän vähentäminen akussa säilyttäen samalla akun suorituskyky vakaana.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi professori Zhaon ryhmä teki yhteistyötä kansainvälisten tutkijoiden kanssa ehdottaakseen katodin suunnittelukonseptia, jolla voitaisiin saavuttaa hyvä Li-S-akkujen suorituskyky.
Heidän erittäin suuntautunut makrohuokoinen isäntänsä voi majoittaa rikkiä tasaisesti, kun taas isäntänsä sisälle on upotettu runsaasti aktiivisia paikkoja, jotka imevät polysulfidia tiukasti absorboidakseen polysulfidia, mikä eliminoi sukkulointitapahtuman vaikutuksen ja litiumin metallien korroosion.
Tuomalla esiin suunnitteluperiaatteen rikkikatodille Li-S-akuissa yhteinen ryhmä lisäsi akkujen energiatiheyttä ja otti suuren askeleen kohti akkujen teollistamista.
Olemme vielä tämän alan perustutkimuksen keskellä. Uudenlainen elektrodisuunnittelukonseptimme ja siihen liittyvä läpimurto suorituskyvyssä edustavat kuitenkin suurta askelta kohti seuraavan sukupolven akun käytännön käyttöä, joka on vielä tehokkaampi ja pitkäikäisempi kuin nykyiset litiumioniakut.
-Prof. Zhao
Tiimin jäseniä HKUST:sta ovat professori Zhao ja hänen nykyiset tohtoriopiskelijansa ZHAO Chen, ZHANG Leicheng ja entinen tohtoriopiskelijamme REN Yuxun (valmistuu 2019). Muita yhteistyökumppaneita ovat tutkijat Argonnen kansallisesta laboratoriosta ja Stanfordin yliopistosta Yhdysvalloissa, Xiamenin yliopistosta Manner-Kiinassa ja Imam Abdulrahman Bin Faisalin yliopistosta Saudi-Arabiassa.