En grupp som leds av professor Cheong Ying Chan vid Hong Kong University Of Science And Technology (HKUST) Energy Institute har föreslagit en ny katodkonstruktion för litium-svavel-batterier (Li-S) som avsevärt förbättrar prestandan för denna typ av lovande nästa generations batterier. En artikel om deras arbete har publicerats i tidskriften Nature Nanotechnology.
Katoden består av enhetligt inbäddade ZnS-nanopartiklar och Co-N-C-katalysatorn med en enda atom för att bilda dubbla bindningsställen i en starkt orienterad makroporös värd, som effektivt kan immobilisera och katalytiskt omvandla polysulfidintermediärer under cyklingen, och därmed eliminera skytteleffekten och korrosionen av litiummetallen.
De ordnade makroporerna förbättrar jontransporten vid hög svavelbelastning genom att bilda tillräckliga trefasgränser mellan katalysatorn, det ledande stödet och elektrolyten. Denna konstruktion förhindrar bildandet av inaktivt svavel (död svavel).
Vår katodstruktur uppvisar förbättrade prestanda i en pouch-cellkonfiguration vid hög svavelbelastning och mager elektrolytdrift. En pouch-cell på 1-A-h-nivå med endast 100 % litiumöverskott kan leverera en specifik energi på >300 W h kg-1 med en coulombisk effektivitet >95 % i 80 cykler.
-Zhao et al.
Designstrategi för den makroporösa värddatorn med bindningsställen i dubbla ändar. Credit: HKUST
Li-S-batterier kan potentiellt erbjuda en energitäthet på över 500 Wh/kg, vilket är betydligt bättre än Li-ion-batterier som når sin gräns vid 300 Wh/kg. Den högre energitätheten innebär att den ungefärliga körsträckan på 400 km (250 miles) för ett elfordon som drivs av Li-ion-batterier kan förlängas avsevärt till 600-800 km (373-497 miles) om det drivs av Li-S-batterier.
Men även om spännande resultat om Li-S-batterier har uppnåtts av forskare över hela världen finns det fortfarande en stor klyfta mellan laboratorieforskning och kommersialisering av tekniken i industriell skala. Ett nyckelproblem är polysulfidskytteleffekten i Li-S-batterier som orsakar progressivt läckage av aktivt material från katoden och litiumkorrosion, vilket resulterar i en kort livscykel för batteriet. Andra utmaningar är att minska mängden elektrolyt i batteriet samtidigt som stabil batteriprestanda bibehålls.
För att ta itu med dessa frågor samarbetade professor Zhaos team med internationella forskare för att föreslå ett designkoncept för katoden som skulle kunna uppnå god prestanda för Li-S-batterier.
Den högorienterade makroporösa värdkatalysatorn kan på ett enhetligt sätt rymma svaveln, samtidigt som rikliga aktiva platser är inbäddade inuti värdkatalysatorn för att tätt absorbera polysulfiden, vilket eliminerar skytteleffekten och korrosionen av litiummetallen.
Då det gemensamma teamet tog fram en konstruktionsprincip för en svavelkatod i Li-S-batterier ökade batteriernas energitäthet och tog ett stort steg mot industrialisering av batterierna.
Vi befinner oss fortfarande mitt i grundforskningen på detta område. Men vårt nya koncept för elektroddesign och det tillhörande genombrottet i prestanda utgör ett stort steg mot praktisk användning av nästa generations batterier som är ännu kraftfullare och har längre livslängd än dagens litiumjonbatterier.
-Prof. Zhao
Teammedlemmar från HKUST inkluderar professor Zhao och hans nuvarande doktorander ZHAO Chen, ZHANG Leicheng, och tidigare doktorand REN Yuxun (2019 års doktorand). Andra medarbetare är forskare från Argonne National Laboratory och Stanford University i USA, Xiamen University i Kina och Imam Abdulrahman Bin Faisal University i Saudiarabien.