Zespół kierowany przez profesora Cheong Ying Chan z Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute, zaproponował nowatorską koncepcję projektu katody dla baterii litowo-siarkowej (Li-S), która znacząco poprawia wydajność tego rodzaju obiecującej baterii następnej generacji. Artykuł na temat ich pracy został opublikowany w czasopiśmie Nature Nanotechnology.
Katoda składa się z równomiernie osadzonych nanocząstek ZnS i jednoatomowego katalizatora Co-N-C w celu utworzenia podwójnych miejsc wiążących wewnątrz wysoce zorientowanego makroporowatego gospodarza, który może skutecznie immobilizować i katalitycznie przekształcać półprodukty polisiarczkowe podczas cyklu, eliminując w ten sposób efekt wahadła i korozję metalu litowego.
Uporządkowane makropory zwiększają transport jonowy przy wysokim obciążeniu siarką poprzez tworzenie wystarczających granic trójfazowych pomiędzy katalizatorem, wsparciem przewodzącym i elektrolitem. Taka konstrukcja zapobiega tworzeniu się nieaktywnej siarki (martwej siarki).
Nasza struktura katody wykazuje ulepszoną wydajność w konfiguracji ogniwa typu „pouch” przy wysokim obciążeniu siarką i pracy z chudym elektrolitem. Ogniwo typu pouch na poziomie 1-A-h z tylko 100% nadmiarem litu może dostarczyć energię właściwą ogniwa >300 W h kg-1 z wydajnością Coulombic >95% dla 80 cykli.
-Zhao et al.
Strategia projektowania makroporowatego hosta z podwójnymi miejscami wiązania końca. Credit: HKUST
Baterie Li-S mogą potencjalnie oferować gęstość energii ponad 500 Wh/kg, znacznie lepszą niż baterie Li-ion, które osiągają swój limit przy 300 Wh/kg. Większa gęstość energii oznacza, że zasięg pojazdu elektrycznego zasilanego bateriami litowo-jonowymi wynoszący około 400 km (250 mil) może zostać znacznie wydłużony do 600-800 km (373 do 497 mil), jeśli będzie on zasilany bateriami Li-S.
Choć naukowcy na całym świecie osiągnęli ekscytujące wyniki w dziedzinie baterii Li-S, nadal istnieje duża luka pomiędzy badaniami laboratoryjnymi a komercjalizacją technologii na skalę przemysłową. Jednym z kluczowych problemów jest występujący w akumulatorach Li-S efekt „polisulfide shuttle”, który powoduje stopniowy wyciek materiału aktywnego z katody i korozję litu, co skutkuje krótkim cyklem życia akumulatora. Inne wyzwania obejmują zmniejszenie ilości elektrolitu w baterii przy jednoczesnym zachowaniu stabilnej wydajności baterii.
Aby rozwiązać te problemy, zespół prof. Zhao współpracował z międzynarodowymi badaczami, aby zaproponować koncepcję konstrukcji katody, która mogłaby osiągnąć dobrą wydajność baterii Li-S.
Jej wysoce zorientowany makroporowaty gospodarz może równomiernie pomieścić siarkę, podczas gdy obfite miejsca aktywne są osadzone wewnątrz gospodarza, aby ściśle wchłonąć polisiarczek, eliminując efekt wahadłowy i korozję metalu litowego.
Wywołując zasadę projektowania katody siarkowej w akumulatorach Li-S, wspólny zespół zwiększył gęstość energii akumulatorów i zrobił duży krok w kierunku industrializacji akumulatorów.
Jesteśmy nadal w połowie podstawowych badań w tej dziedzinie. Jednak nasza nowatorska koncepcja konstrukcji elektrody i związany z nią przełom w wydajności stanowią duży krok w kierunku praktycznego zastosowania baterii nowej generacji, która jest jeszcze bardziej wydajna i trwalsza niż dzisiejsze baterie litowo-jonowe.
-Prof. Zhao
Członkowie zespołu z HKUST to prof. Zhao i jego obecni doktoranci ZHAO Chen, ZHANG Leicheng oraz były doktorant REN Yuxun (absolwent 2019). Inni współpracownicy to badacze z Argonne National Laboratory i Stanford University w USA, Xiamen University w Chinach kontynentalnych oraz Imam Abdulrahman Bin Faisal University w Arabii Saudyjskiej.
.