Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhu Qingshan vom Institut für Verfahrenstechnik (IPE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften untersuchte den Übergang der elektronischen Struktur von NiAs- zu CoPxS1-x-Verbindungen vom MnP-Typ und wie der Übergang die katalytische Aktivität der Polysulfidumwandlung beeinflusst Reaktionen in Lithium-Schwefel-Batterien.
Die Studie wurde veröffentlicht in ACS-Nano am 30. Januar.
Lithium-Schwefel-Batterien sind aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazität und spezifischen Energie vielversprechende Energiespeichersysteme. Das Pendeln von Polysulfiden führt jedoch zum Zerfall von Batterien, was ihre praktischen Anwendungen einschränkt.
Katalysatoren können die Umwandlung von Polysulfiden beschleunigen und das Pendeln relativ unterdrücken, was als effektiver Ansatz zur Verbesserung der Zyklisierbarkeit von Li-S-Batterien dient. Das mangelnde Verständnis des katalytischen Mechanismus und Ursprungs stellt ein Hindernis für das Design von Li-S-Katalysatoren dar.
„Im Vergleich zu NiAs verschieben sich Kationen in Verbindungen vom MnP-Typ entlang der Ebene vertikal zur c-Achse, was zu einem verkürzten Abstand zwischen den Zentren von zweikantigen Polyedern führt und die Metall-Metall-Bindung verbessert“, sagte Zhang Huigang, einer der Hauptforscher bei IPE. Ihre elektronischen Strukturen änderten sich mit den koordinierten Polyedern. Die resultierende Verschiebung nach oben oder unten des d-Bandes würde die Bindung von Katalysatoren und Polysulfiden bestimmen.
„Indem wir die Koordinationsstruktur aktiver Zentren abstimmen und die d-Orbitale optimieren, können wir Katalysatoren rationeller entwerfen“, sagte Prof. Zhu.
Basierend auf dem Übergang dotierten die Forscher CoP mit Schwefel und verzerrten das [CoP6] Polyeder, um die Kationenzentren zu verschieben. Infolgedessen verschob sich das dz2-Orbital nach unten und das dxz/dyz-Orbital nach oben, wodurch die Bindung zu Polysulfiden verstärkt wurde.
Um praktische Anwendungen von Li-S-Batterien mit hoher Ladung zu realisieren, wurde CoPxS1-x in porösen Kohlenstoff-Nanofasern elektrogesponnen, wodurch kettenartige Nanoreaktoren gebildet wurden, die die Polysulfid-Umwandlungsreaktion begrenzten und effektiv katalysierten.
„Das Katalysatordesign und die Nanofaserkonstruktion ermöglichen eine hervorragende Zyklierbarkeit von hochbelastbaren Li-S-Batterien“, sagte Zhang.
Mehr Informationen:
Zihan Shen et al., Abstimmung der lokalen Koordination von CoP1–xSx zwischen NiAs- und MnP-Strukturen zur Katalyse von Lithium-Schwefel-Batterien, ACS-Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.2c12436