香港科学技術大学（HKUST）エネルギー研究所のCheong Ying Chan教授率いるチームは、この種の有望な次世代電池の性能を大幅に向上させる新しいLi-S正極設計概念を提案しています。 この正極は、均一に埋め込まれた ZnS ナノ粒子と Co-N-C 単原子触媒で構成され、高配向性マクロポーラス ホスト内に両端結合サイトを形成し、サイクル中にポリサルファイド中間体を効果的に固定化および触媒変換して、シャトル効果およびリチウム金属の腐食を排除することができます。
規則正しいマクロポアは、触媒、導電性支持体、および電解質の間に十分な三相境界を形成することにより、高硫黄負荷下でのイオン輸送を強化します。 この設計により、不活性な硫黄(デッドサルファー)の生成を防ぐことができる。
私たちのカソード構造は、高硫黄負荷およびリーン電解質運転において、パウチセル構成での性能向上を示しています。 リチウムが100％過剰な1A-hレベルのパウチセルは、>300 W h kg-1のセル比エネルギーと>95％のクーロン効率で80サイクルを提供できます。
両端結合サイトを持つマクロポーラスホストの設計方針。 Credit: HKUST
Li-S バッテリーは、潜在的に 500 Wh/kg 以上のエネルギー密度を提供でき、300 Wh/kg で限界に達するリチウム イオン電池より大幅に優れています。 より高いエネルギー密度は、リチウムイオン電池を搭載した電気自動車の走行距離が約400kmであるのに対し、リチウムS電池を搭載した場合は600～800kmと大幅に延長できることを意味する。
世界中の研究者によってリチウムS電池に関する興味深い結果が達成されているが、研究室での研究と工業規模での技術の商業化の間にはまだ大きなギャップがある。 重要な問題の1つは、正極から活物質の漏出とリチウムの腐食を進行させ、電池の短いライフサイクルをもたらすLi-S電池のポリサルファイドシャトル効果である。 これらの問題に対処するため、Zhao教授のチームは国際的な研究者と協力して、良好なLi-S電池性能を達成できる正極設計コンセプトを提案した。
その高配向マクロポーラスホストは硫黄を均一に収容でき、豊富な活性サイトはホスト内部に組み込まれて多硫化物をしっかりと吸収し、シャトル効果やリチウム金属腐食を排除することができる。
Li-S電池の硫黄正極の設計原理を導き出すことで、共同研究チームは電池のエネルギー密度を高め、電池の工業化に向けて大きな一歩を踏み出しました。 しかし、私たちの新しい電極設計コンセプトとそれに伴う性能の飛躍的向上は、現在のリチウムイオン電池よりもさらに強力で長持ちする次世代電池の実用化に向けた大きな一歩です」
香港大学からのチームメンバーにはZhao教授と現在の博士課程学生ZHAO Chen、ZHANG Leicheng、前博士課程のREN Yuxun（2019卒）らがいます。 その他の共同研究者には、米国のアルゴンヌ国立研究所とスタンフォード大学、中国本土の厦門大学、サウジアラビアのイマーム・アブドゥルラフマン・ビン・ファイサル大学の研究者が含まれます
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