Революция в хранении энергии: металлические нанокластеры для стабильных литий-серных батарей.
Спрос на эффективные системы хранения энергии постоянно растет, особенно в связи с недавним появлением прерывистой возобновляемой энергии и внедрением электромобилей. В этом отношении многообещающим решением стали литий-серные батареи (LSB), которые могут хранить в три-пять раз больше энергии, чем традиционные литий-ионные батареи.
LSB используют литий в качестве анода и серу в качестве катода, но эта комбинация создает проблемы. Одной из существенных проблем является «челночный эффект», при котором промежуточные частицы полисульфида лития (LiPS), образующиеся во время циклического цикла, мигрируют между анодом и катодом, что приводит к снижению емкости, короткому сроку службы и плохой производительности.
Другие проблемы включают расширение серного катода во время абсорбции ионов лития и образование изолирующих литий-серных частиц и литиевых дендритов во время работы батареи. Хотя для решения этих проблем использовались различные стратегии, такие как катодные композиты, добавки к электролитам и твердотельные электролиты, они включают в себя компромиссы и соображения, которые ограничивают дальнейшее развитие LSB.
В последнее время атомарно точные нанокластеры металлов, агрегаты атомов металлов размером от 1 до 3 нанометров, получили значительное внимание в исследованиях материалов, в том числе на LSB, благодаря их высокой проектируемости, а также уникальной геометрической и электронной структуре.
Однако, хотя предложено множество подходящих применений металлических нанокластеров, примеров их практического применения до сих пор нет.
Теперь в своем последнем совместном исследовании, опубликованном в журнале Small , группа исследователей из Японии и Китая под руководством профессора Юичи Негиши из Токийского университета науки (TUS) использовала свойство поверхностного связывания и окислительно-восстановительную активность платины (Pt). Нанокластеры -легированного золота (Au) Au 24 Pt(PET) 18 (ПЭТ: фенилэтантиолат, SCH 2 CH 2 Ph) в качестве высокоэффективного электрокатализатора в LSB.
Работа написана в соавторстве с доцентом Сайкат Дасом из TUS и профессором Деян Хэ и младшим доцентом Децюаном Лю из Университета Ланьчжоу, Китай.
Исследователи подготовили композиты из нанолистов Au 24 Pt(PET) 18 и графена (G) с большой удельной поверхностью, высокой пористостью и проводящей сеткой, используя их для разработки сепаратора батареи, который ускоряет электрохимическую кинетику в LSB.
«LSB, собранные с использованием сепаратора на основе Au 24 Pt(PET) 18 @G, останавливают челночные LiPS, подавляют образование литиевых дендритов и улучшают использование серы, демонстрируя отличную производительность и циклическую стабильность», — говорит профессор Негиши.
Батарея показала высокую обратимую удельную емкость 1535,4 мА·ч -1 для первого цикла при 0,2 А·г -1 и исключительную пропускную способность 887 мА·ч -1 при 5 А·г -1 . Кроме того, емкость, сохраняемая после 1000 циклов при токе 5 А·г -1, составила 558,5 мА·ч -1 .
Эти результаты подчеркивают преимущества использования металлических нанокластеров в LSB. Они включают улучшенную плотность энергии , более длительный срок службы, улучшенные функции безопасности и снижение воздействия LSB на окружающую среду, что делает их более экологически чистыми и конкурентоспособными по сравнению с другими технологиями хранения энергии.
«LSB с металлическими нанокластерами могут найти применение в электромобилях, портативной электронике, хранилищах возобновляемой энергии и других отраслях, требующих передовых решений для хранения энергии. Кроме того, ожидается, что это исследование проложит путь для полностью твердотельных LSB с более новыми функциональными возможностями. », — говорит профессор Негиши.
В ближайшем будущем предлагаемая технология может привести к созданию экономичных и долговечных устройств хранения энергии. Это поможет сократить выбросы углекислого газа и поддержать внедрение возобновляемых источников энергии, способствуя устойчивому развитию.
