von Beijing Institute of Technology Press Co.
Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) gelten als wichtige Geräte zur Stromversorgung beweglicher Geräte, es gibt jedoch noch einige Herausforderungen, die ihre Anwendung einschränken, beispielsweise die Frage, wie man eine Kathode für eine hohe Sulfidabsorption und schnelle Umwandlung erhält.
Um die Forschung zu Hochleistungs-Li-S-Batterien voranzutreiben, haben Forscher in China ein neues Ni@HsGDY/MoS2/Ni3S2-Verbundmaterial bereitgestellt, um den Shuttle-Effekt, die Volumenausdehnung und andere Probleme bei Lithium-Schwefel-Batterien zu mildern.
Sie veröffentlichten ihre Arbeit am 26. September Fortschritte bei Energiematerialien.
„Der boomende Fortschritt bei Elektrofahrzeugen erfordert Energiespeichertechnologien der nächsten Generation mit hoher Energiedichte, niedrigen Kosten und Langlebigkeit“, sagte Fushen Lu, Professor an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Shantou-Universität.
„Lithium-Schwefel-Batterien gelten aufgrund ihrer hohen ultrahohen Energiedichte und großen theoretischen Kapazität als vielversprechendes Energiespeichersystem. Allerdings sind sie durch die schlechte elektronische Leitfähigkeit von Schwefel, Volumenänderungen der Kathode und den Shuttle-Effekt begrenzt.“
Lu erklärte, dass die Umwandlung von Polysulfiden (Li2Sn, 4 ≤ n ≤ 8) eine komplizierte Mehrphasenumwandlung während der Lade-Entlade-Periode ist. Die löslichen Lithiumpolysulfide (LiPS) diffundieren durch den porösen Separator zur negativen Elektrode und reagieren mit Li-Metall unter Bildung von nicht löslichem Li, was einen „Shuttle-Effekt“ verursacht und zu einer Verschlechterung der Entladekapazität und Zyklenleistung führt. Dies ist einer der Hauptmängel, der die kommerzielle Anwendung von Li-S-Batterien in großem Maßstab ernsthaft behindert.
„Derzeit werden die Hindernisse von Li-S-Batterien hauptsächlich durch das Design von Elektroden und Elektrolyten überwunden“, sagte Lu. „Um die Absorptionskapazität von Lithiumpolysulfiden zu erhöhen und die Bildung von aktivem Schwefel während der Lade-Entlade-Periode zu steigern, bestehen die Elektroden immer aus der porösen Zwischenschicht mit hoher katalytischer Aktivität.“
Kohlenstoffmaterialien mit unpolarer Oberfläche katalysieren kaum die Umwandlung löslicher Lithiumpolysulfide. Laut Lu wurden einige Metalloxid-Nanopartikel oder organisch-anorganische Hybride zur Verankerung von Lithiumpolysulfiden eingesetzt, um die Absorption und Umwandlung von Lithiumpolysulfiden zu steigern. Allerdings führen diese Materialien aufgrund der Ansammlung von Lithiumpolysulfiden in den Zwischenschichten zu einer trägen Redoxkinetik der Li-S-Batterie mit hohem Schwefelgehalt. Die aktiven Arten wurden in geringem Umfang genutzt.
Um eine effiziente Kathode zu erhalten, scheine die Kombination von Kohlenstoffmaterialien und anorganischem Funktionsmaterial eine praktikable Strategie zu sein, sagte Lu. Die katalytischen Zusammensetzungen waren jedoch normalerweise von der Zwischenschicht bedeckt, was die Umwandlung von Polysulfiden verringerte, was letztendlich dazu führte, dass der synergistische Effekt der beiden Funktionen nicht erreicht wurde.
„In den vergangenen Jahren wurden große Anstrengungen in die Kathoden von Lithium-Schwefel-Batterien mit hervorragender chemischer Adsorption von Polysulfiden und hoher katalytischer Effizienz investiert. Es ist immer noch ein dringendes Problem, eine praktikable Strategie zur Integration mehrerer entsprechender Funktionen zu finden, um die Umwandlung zu beschleunigen.“ der Polysulfide.“ sagte Lu.
„Das Graphdiin (GDY) war als neues Kohlenstoffallotrop mit planarer Struktur und einzigartigen Eigenschaften bekannt. Die Butadiinbindungen (-C≡CC≡C-) an Benzolringe führen zu einer geringeren Atomdichte und führen zur Bildung natürlicher Poren, die wirken könnten eine Schlüsselrolle bei den Lithium-Schwefel-Batterien.“
„In unserer Arbeit wird eine neue Strategie vorgeschlagen, um die Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien zu verbessern, indem 3D-HsGDY-Schichten (wasserstoffsubstituiertes Graphdiin) auf Ni-Schaum mittels Glaser-Kreuzkupplungsreaktion wachsen, um MoS2/Ni3S2 zu verankern und so die Leitfähigkeit von Schwefel zu verbessern. Hosting-Material“, sagte Lu.
„Das 3D-HsGDY-Gerüst ermöglicht die schnelle Adsorption von Lithiumpolysulfiden und Ni3S2/MoS2 fungiert als Reaktionszentrum mit einem geringen Ladungsübertragungswiderstand.“
Lu kam zu dem Schluss, dass die Ni@HsGDY/MoS2/Ni3S2/S-Elektroden in Lithium-Schwefel-Batterien eine hohe Leistung mit großer spezifischer Kapazität und Langzeitstabilität bei hohen Stromdichten aufweisen. Der Einbau von HsGDY in die Kathode kann die Absorption und Umwandlung von Lithiumpolysulfid im Elektrolyten fördern und neue Ideen für die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte liefern.
„Lithium-Ionen-Batterien werden seit Jahrzehnten kommerzialisiert. Ihre Energiedichte ist in den letzten Jahren geringfügig gestiegen, obwohl erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen wurden“, sagte Lu. „Die Forschung zu HsGDY-haltigen Li-S-Batterien steckt noch in den Kinderschuhen und es sind noch umfangreiche Untersuchungen erforderlich, um praktische Anwendungen zu realisieren.“
Mehr Informationen:
Jiao Xiang et al, HsGDY über Ni-Schaum zum Laden von MoS 2 /Ni 3 S 2 zur Verbesserung der Leistung von Lithium-Schwefel-Batterien, Fortschritte bei Energiematerialien (2023). DOI: 10.34133/energymatadv.0054
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