Новый подход к созданию литий-серных аккумуляторов большой мощности

Прочитано: 61 раз(а)


Литий-серные (Li-S) батареи являются многообещающей альтернативой литий-ионным батареям (LiB), наиболее распространенной технологии перезаряжаемых батарей. Поскольку на Земле много серы, эти батареи могут быть дешевле и более экологичными, чем LiB, но при этом потенциально иметь более высокую плотность энергии.

Несмотря на эти преимущества, применение Li-S аккумуляторов до сих пор ограничено, поскольку многие из этих аккумуляторов также имеют малый срок службы и высокую скорость саморазряда. Кроме того, прогнозируемая высокая плотность энергии литий-S-батарей часто становится намного ниже в реальных приложениях из-за высоких скоростей их зарядки и разрядки.

Химической реакцией, которая играет центральную роль в обеспечении высокой емкости Li-S аккумуляторов, является так называемая реакция восстановления серы (SRR). Эта реакция широко изучена, однако ее кинетические тенденции при высоких скоростях тока остаются малоизученными.

Исследователи из Университета Аделаиды, Тяньцзиньского университета и австралийского синхротрона недавно провели исследование, направленное на определение кинетической тенденции SRR, чтобы предоставить информацию для будущего развития мощных Li-S аккумуляторов. В их статье , опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, также представлен нанокомпозитный углеродный электрокатализатор, который, как было обнаружено, повышает производительность Li-S аккумуляторов, обеспечивая сохранение разрядной емкости примерно на 75%.

«Активность электрокатализаторов реакции восстановления серы (SRR) можно представить с помощью вулканических графиков, которые описывают конкретные термодинамические тенденции», — пишут Хуан Ли, Ронгвэй Мэн и их коллеги в своей статье. «Однако кинетическая тенденция, описывающая SRR при высоких скоростях тока, пока недоступна, что ограничивает наше понимание изменений кинетики и препятствует разработке мощных Li||S батарей. Используя принцип Ле Шателье в качестве руководства, мы устанавливаем Кинетическая тенденция SRR, которая коррелирует концентрации полисульфида с кинетическими токами».

Чтобы дополнительно изучить кинетическую тенденцию SRR при высоких токах, исследователи также собрали данные синхротронной рентгеновской адсорбционной спектроскопии и провели различные вычисления молекулярных орбиталей. В целом их результаты показывают, что заполнение орбит в катализаторах на основе переходных металлов связано с концентрацией полисульфида в батареях и, следовательно, с кинетическими предсказаниями SRR.

Основываясь на описанной ими кинетической тенденции, Ли, Мэн и их коллеги разработали новый нанокомпозитный электрокатализатор, состоящий из материала на основе углерода и кластеров CoZn. Затем они интегрировали этот катализатор в литий-S-батарейный элемент и протестировали его работу, сосредоточив внимание на скорости заряда-разряда.

«Когда электрокатализатор используется в положительном электроде на основе серы (загрузка S 5 мг см -2 ), соответствующая монетарная ячейка Li||S (с массовым соотношением электролит:S 4,8) может работать в течение 1000 циклов при 8°C (то есть 13,4 А г -1 в пересчете на массу серы) и 25°C», — пишут исследователи.

«Эта ячейка демонстрирует сохранение разрядной емкости около 75% (конечная разрядная емкость 500 мАч г· с -1 ), что соответствует начальной удельной мощности 26 120 Вт·кг· с -1 и удельной энергии 1306 Втч·кг ·с -1 ».

В целом, недавнее исследование Ли, Менга и их коллег показывает, что повышенные концентрации полисульфида способствуют более быстрой кинетике SRR; таким образом, катализаторы, повышающие концентрацию полисульфида, могут ускорить эту реакцию. Этот результат был подтвержден как теоретическими расчетами, так и экспериментальными измерениями.

Основываясь на своих наблюдениях, исследователи уже представили один электрокатализатор, который, как было обнаружено, улучшает сохранение емкости и циклическую стабильность Li-S батареи. В будущем их работа может вдохновить на разработку других многообещающих катализаторов, потенциально способствуя разработке новых технологий мощных Li-S аккумуляторов.

Разработаны металлические нанокластеры для литий-серных батарей



Новости партнеров