Een team onder leiding van professor Cheong Ying Chan van het energie-instituut van de Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) heeft een nieuw kathode-ontwerpconcept voorgesteld voor lithium-zwavelbatterij (Li-S) dat de prestaties van dit soort veelbelovende volgende-generatiebatterij aanzienlijk verbetert. Een paper over hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.
De kathode is samengesteld uit uniform ingebedde ZnS-nanodeeltjes en Co-N-C single-atoomkatalysator om dubbelzijdige bindingsplaatsen te vormen binnen een sterk georiënteerde macroporeuze gastheer, die effectief polysulfide-tussenproducten kan immobiliseren en katalytisch kan omzetten tijdens het fietsen, waardoor het pendeleffect en lithiummetaalcorrosie worden geëlimineerd.
De geordende macroporiën verbeteren het ionentransport onder hoge zwavelbelasting door voldoende drievoudige fasegrenzen te vormen tussen katalysator, geleidende drager en elektrolyt. Dit ontwerp voorkomt de vorming van inactieve zwavel (dode zwavel).
Onze kathodestructuur vertoont verbeterde prestaties in een pouch-celconfiguratie onder hoge zwavelbelasting en magere elektrolytwerking. Een 1-A-h-niveau pouch-cel met slechts 100% lithiumovermaat kan een celspecifieke energie leveren van >300 W h kg-1 met een coulombisch rendement >95% voor 80 cycli.
-Zhao et al.
Ontwerpstrategie van de macroporeuze gastheer met dubbel-eindbindingsplaatsen. Credit: HKUST
Li-S-batterijen kunnen potentieel een energiedichtheid bieden van meer dan 500 Wh/kg, aanzienlijk beter dan Li-ion-batterijen die hun limiet bereiken bij 300 Wh/kg. De hogere energiedichtheid betekent dat de geschatte actieradius van 400 km (250 mijl) van een elektrisch voertuig aangedreven door Li-ion-batterijen aanzienlijk kan worden uitgebreid tot 600-800 km (373 tot 497 mijl) indien aangedreven door Li-S-batterijen.
Weliswaar zijn door onderzoekers over de hele wereld opwindende resultaten geboekt met Li-S-batterijen, maar er gaapt nog steeds een grote kloof tussen laboratoriumonderzoek en de commercialisering van de technologie op industriële schaal. Een belangrijk probleem is het polysulfide-shuttle-effect van Li-S-batterijen dat leidt tot progressieve lekkage van actief materiaal uit de kathode en lithiumcorrosie, wat resulteert in een korte levensduur van de batterij. Andere uitdagingen zijn het verminderen van de hoeveelheid elektrolyt in de batterij met behoud van stabiele batterijprestaties.
Om deze problemen aan te pakken, werkte het team van Prof. Zhao samen met internationale onderzoekers om een kathode-ontwerpconcept voor te stellen dat goede Li-S-batterijprestaties zou kunnen bereiken.
Hun sterk georiënteerde macroporeuze gastheer kan de zwavel uniform huisvesten, terwijl overvloedige actieve sites in de gastheer zijn ingebed om het polysulfide strak te absorberen, waardoor het pendeleffect en lithiummetaalcorrosie worden geëlimineerd.
Door een ontwerpprincipe voor een zwavelkathode in Li-S-batterijen naar voren te brengen, verhoogde het gezamenlijke team de energiedichtheid van de batterijen en maakte een grote stap in de richting van de industrialisatie van de batterijen.
We zijn nog steeds in het midden van fundamenteel onderzoek op dit gebied. Ons nieuwe elektrode-ontwerpconcept en de bijbehorende doorbraak in prestaties vertegenwoordigen echter een grote stap in de richting van het praktische gebruik van een batterij van de volgende generatie die nog krachtiger is en langer meegaat dan de lithium-ion-batterijen van vandaag.
-Prof. Zhao
Teamleden van HKUST zijn onder meer Prof. Zhao en zijn huidige promovendi ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, en voormalig promovendus REN Yuxun (2019 afgestudeerd). Andere medewerkers zijn onderzoekers van Argonne National Laboratory en Stanford University in de VS, Xiamen University op het vasteland van China, en Imam Abdulrahman Bin Faisal University in Saoedi-Arabië.