A Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute Cheong Ying Chan professzorának vezetésével egy csapat új katódtervezési koncepciót javasolt a lítium-kén (Li-S) akkumulátorok számára, amely jelentősen javítja az ilyen ígéretes következő generációs akkumulátorok teljesítményét. A munkájukról szóló tanulmány a Nature Nanotechnology című folyóiratban jelent meg.
A katód egyenletesen beágyazott ZnS nanorészecskékből és Co-N-C egyatomos katalizátorból áll, hogy egy erősen orientált makropórusos gazdatestben kettős végű kötőhelyeket képezzen, amelyek hatékonyan képesek immobilizálni és katalitikusan átalakítani a poliszulfid intermediereket a ciklusok során, így kiküszöbölve a transzferhatást és a lítiumfém korrózióját.
A rendezett makropórusok a katalizátor, a vezető hordozó és az elektrolit közötti elegendő hármas fázishatár kialakításával fokozzák az iontranszportot nagy kéntöltés esetén. Ez a kialakítás megakadályozza az inaktív kén (holt kén) kialakulását.
A katódszerkezetünk jobb teljesítményt mutat egy tasakos cellakonfigurációban magas kéntöltés és sovány elektrolit üzemmódban. Egy 1-A-h szintű tasakcella csak 100%-os lítiumfelesleggel >300 W h kg-1 fajlagos cellatenergiát képes biztosítani >95%-os Coulomb-hatásfokkal 80 cikluson keresztül.
-Zhao et al.
A makropórusos gazdatest tervezési stratégiája kettős végű kötőhelyekkel. Credit: HKUST
A Li-S akkumulátorok potenciálisan több mint 500 Wh/kg energiasűrűségűek lehetnek, ami lényegesen jobb, mint a Li-ion akkumulátoroké, amelyek 300 Wh/kg-nál érik el a határértéküket. A nagyobb energiasűrűség azt jelenti, hogy a Li-ion akkumulátorokkal működő elektromos járművek megközelítőleg 400 km-es (250 mérföldes) hatótávolsága jelentősen, 600-800 km-re (373-497 mérföldre) növelhető, ha Li-S akkumulátorokkal működnek.
Míg a Li-S akkumulátorokkal kapcsolatban világszerte izgalmas eredményeket értek el a kutatók, a laboratóriumi kutatások és a technológia ipari méretű kereskedelmi hasznosítása között még mindig nagy a szakadék. Az egyik kulcsprobléma a Li-S akkumulátorok poliszulfid-sikló hatása, amely az aktív anyag fokozatos szivárgását okozza a katódból és a lítium korrózióját, ami az akkumulátor rövid élettartamát eredményezi. További kihívás az akkumulátorban lévő elektrolit mennyiségének csökkentése a stabil akkumulátor teljesítményének fenntartása mellett.
Az említett problémák megoldására Zhao professzor csoportja nemzetközi kutatókkal együttműködve olyan katódtervezési koncepciót javasolt, amellyel jó Li-S akkumulátor teljesítmény érhető el.
A nagymértékben orientált makropórusos gazdatest egyenletesen képes befogadni a ként, miközben a gazdatestbe beágyazott bőséges aktív helyek szorosan elnyelik a poliszulfidot, megszüntetve a transzferhatást és a lítium fém korrózióját.
A Li-S akkumulátorok kénkatódjának tervezési elvének felvetésével a közös csapat növelte az akkumulátorok energiasűrűségét, és nagy lépést tett az akkumulátorok iparosítása felé.
Még az alapkutatás közepén tartunk ezen a területen. Azonban az újszerű elektródakialakítási koncepciónk és az ezzel járó áttörés a teljesítményben nagy lépést jelentenek a következő generációs akkumulátor gyakorlati alkalmazása felé, amely még erősebb és hosszabb élettartamú, mint a mai lítium-ion akkumulátorok.
-Prof. Zhao
A HKUST csapat tagjai: Prof. Zhao és jelenlegi doktoranduszai ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, valamint REN Yuxun korábbi doktorandusz (2019-ben végzett). További munkatársak az amerikai Argonne Nemzeti Laboratórium és a Stanford Egyetem, a kínai szárazföldi Xiamen Egyetem és a szaúd-arábiai Imam Abdulrahman Bin Faisal Egyetem kutatói.