O echipă condusă de profesorul Cheong Ying Chan de la Institutul de Energie al Universității de Știință și Tehnologie din Hong Kong (HKUST) a propus un nou concept de design de catod pentru bateria litiu-sulf (Li-S) care îmbunătățește substanțial performanța acestui tip de baterie promițătoare de nouă generație. O lucrare despre munca lor este publicată în revista Nature Nanotechnology.
Catodul este compus din nanoparticule de ZnS încorporate uniform și catalizator Co-N-C cu un singur atom pentru a forma situsuri de legare la două capete în interiorul unei gazde macroporoase foarte orientate, care poate imobiliza în mod eficient și converti catalitic intermediarii polisulfurii în timpul ciclării, eliminând astfel efectul de navetă și coroziunea litiului metalic.
Macroporii ordonați îmbunătățesc transportul ionic în condiții de încărcătură mare de sulf prin formarea unor limite trifazice suficiente între catalizator, suportul conductiv și electrolit. Acest design previne formarea de sulf inactiv (sulf mort).
Structura noastră catodică prezintă performanțe îmbunătățite într-o configurație de celule de tip „pouch” în condiții de încărcare mare de sulf și funcționare cu electrolit sărac. O celulă pouch de nivel 1-A-h cu un exces de litiu de numai 100% poate furniza o energie specifică a celulei de >300 W h kg-1 cu o eficiență coulombiană >95% pentru 80 de cicluri.
-Zhao et al.
Strategia de proiectare a gazdei macroporoase cu situsuri de legare la două capete. Credit: HKUST
Baterii Li-S pot oferi potențial o densitate energetică de peste 500 Wh/kg, semnificativ mai bună decât bateriile Li-ion care își ating limita la 300 Wh/kg. Densitatea energetică mai mare înseamnă că autonomia de aproximativ 400 km a unui vehicul electric alimentat cu baterii Li-ion poate fi extinsă substanțial la 600-800 km dacă este alimentat cu baterii Li-S.
În timp ce cercetătorii din întreaga lume au obținut rezultate interesante cu privire la bateriile Li-S, există încă un decalaj mare între cercetarea de laborator și comercializarea tehnologiei la scară industrială. O problemă cheie este efectul de navetă polisulfură al bateriilor Li-S, care provoacă scurgerea progresivă a materialului activ din catod și coroziunea litiului, ceea ce duce la un ciclu de viață scurt al bateriei. Alte provocări includ reducerea cantității de electrolit din baterie, menținând în același timp performanța stabilă a bateriei.
Pentru a aborda aceste probleme, echipa profesorului Zhao a colaborat cu cercetători internaționali pentru a propune un concept de proiectare a catodului care ar putea obține o performanță bună a bateriei Li-S.
Gazda lor macroporoasă foarte orientată poate găzdui uniform sulful, în timp ce situsurile active abundente sunt încorporate în interiorul gazdei pentru a absorbi strâns polisulfura, eliminând efectul de navetă și coroziunea litiului metalic.
Prin aducerea în discuție a unui principiu de proiectare pentru un catod cu sulf în bateriile Li-S, echipa comună a crescut densitatea energetică a bateriilor și a făcut un pas mare spre industrializarea bateriilor.
Suntem încă în mijlocul cercetării de bază în acest domeniu. Cu toate acestea, conceptul nostru inovator de proiectare a electrozilor și progresul asociat în ceea ce privește performanța reprezintă un pas mare spre utilizarea practică a unei baterii de generație următoare, care este chiar mai puternică și mai durabilă decât bateriile litiu-ion de astăzi.
-Prof. Zhao
Membrii echipei de la HKUST includ profesorul Zhao și actualii săi doctoranzi ZHAO Chen, ZHANG Leicheng și fostul doctorand REN Yuxun (absolvent 2019). Printre ceilalți colaboratori se numără cercetători de la Argonne National Laboratory și Stanford University din SUA, Xiamen University din China continentală și Imam Abdulrahman Bin Faisal University din Arabia Saudită.
.