Аккумуляторы Li-S с длительным сроком службы на основе многофункциональных сепараторов, функционализированных пористыми медиаторами.
Ученые из Южно-Китайского технологического университета сообщают о потенциальной стратегии для долговечных Li-S аккумуляторов за счет рационального проектирования и недорогого изготовления многофункциональных сепараторов. Благодаря эффективному улавливанию и быстрому преобразованию растворимых LiPS, а также усиленной кинетике диффузии ионов лития во время циклирования, для полученной батареи достигается сверхдлительный срок службы, превышающий 2000 циклов.
Практическое применение Li-S аккумуляторов значительно затруднено из-за вялой кинетики реакции соединений серы и печально известного переноса растворимых промежуточных соединений LiPS, что приводит к низкому использованию серы, быстрому снижению емкости и сокращению срока службы.
Было доказано, что введение функциональных сепараторов в батарею Li-S является достаточно эффективной стратегией для улавливания LiPS в катодной области или замедления их диффузии через сепаратор, что обеспечивает эффективное подавление перемещения LiPS.
В связи с этим во многих исследованиях сообщалось о сепараторах, функционализированных наноструктурированным углеродом, легированным полярным гетероатомом углеродом и соединениями на основе металлов, для блокирования челночного движения LiPS посредством эффектов физического сдерживания или хемосорбции. Хотя эти функциональные слои на сепараторах могут эффективно ограничивать миграцию LiPS, электрохимические характеристики Li-S аккумуляторов все еще далеки от удовлетворительных.
С одной стороны, растворимые LiPS блокируются исключительно этими функциональными сепараторами, которые не могут быть далее преобразованы в нерастворимые частицы (Li 2 S 2 /Li 2 S для выгрузки и сера для зарядки) для повторного использования, что приводит к более низкой степени использования активного вещества. материалы. С другой стороны, функциональные слои на сепараторах без рациональной конструкции неизбежно могут блокировать перенос ионов лития, ослаблять кинетику электрохимической реакции и, наконец, снижать производительность аккумуляторов.
Кроме того, относительно сложная и дорогостоящая подготовка материалов функционального слоя с использованием утомительных многоступенчатых процедур, дорогого сырья/прекурсоров или некоторых жестких условий неизбежно приводит к некоторым недостаткам, таким как высокая стоимость производства, низкая эффективность производства и проблемы масштабируемого производства. Таким образом, остается сложной задача разработки экономичных и высокопроизводительных сепараторов с мощными возможностями регулирования для контроля и преобразования LiPS при сохранении быстрого переноса ионов лития для улучшения кинетики окислительно-восстановительного потенциала серы.
Опубликованная в журнале International Journal of Extreme Manufacturing статья исследовательской группы из Южно-Китайского технологического университета предлагает новый многофункциональный сепаратор для одновременного решения этих проблем. Полые и иерархически пористые наносферы Fe 3 O 4 (p-Fe 3 O 4 -NS) изготавливаются путем самосборки множества очень маленьких нанокристаллов Fe 3 O 4 и предлагаются в качестве функционального слоя для проверки концепции сконструировать многофункциональный сепаратор для усиления кинетики электрохимических реакций в Li-S батареях.
Полученные батареи эффективно работали с отличными электрохимическими характеристиками благодаря эффективному регулированию LiPS во время циклирования. Эта работа демонстрирует осуществимую стратегию создания долговечных Li-S аккумуляторов за счет рационального проектирования и недорогого изготовления многофункциональных сепараторов для достижения высокого уровня использования серы.
Ведущий исследователь, профессор Вэй Юань, прокомментировал: «Модифицирующий сепаратор является многообещающей стратегией регулирования поведения LiPS в аккумуляторе. Идеальный сепаратор для Li-S аккумуляторов должен быть многофункциональным и отвечать нескольким критическим требованиям, таким как сильная блокирующая способность по отношению к LiPS для сдерживания их миграции, отличное сродство с электролитом для улучшения кинетики переноса ионов лития через сепаратор, значительная конверсионная активность для облегчения быстрого превращения захваченных LiPS в нерастворимые частицы Мы [достигли] такого потрясающего прогресса в достижении высокого содержания серы использование и очень длительный срок службы литий-серийных аккумуляторов за счет рациональной конструкции и недорогого изготовления многофункциональных сепараторов».
Очень важно контролировать и повторно использовать растворимые LiPS для разработки Li-S аккумуляторов с длительным сроком службы. Первый автор Сяоцин Чжан объяснил: «В нашей работе мы показываем, что растворимые LiPS могут быть эффективно иммобилизованы и преобразованы в нерастворимые частицы с помощью недавно разработанного сепаратора. Полый и иерархически пористый медиатор предлагается в качестве функционального слоя на [ ] сепаратор, который может обеспечить химическую адсорбцию по отношению к LiPS и кинетически способствовать взаимному превращению между LiPS и Li 2 S 2 /Li 2 S во время циклирования, тем самым подавляя челночное движение LiPS и повышая кинетику окислительно-восстановительной реакции через механизм хемосорбционно-каталитического превращения». Этот многофункциональный сепараторнаделяет устройство замечательными характеристиками производительности, сверхдлительными циклическими характеристиками и высокой производительностью по площади в условиях высокой загрузки серы и обедненного электролита.
«Наша команда разработала множество новых электродных структур для решения проблем растворения и переноса LiPS в [] Li-S аккумуляторе». Профессор Вэй Юань сказал: «Помимо решения этих проблем, еще одним ключевым фактором для получения практических аккумуляторных устройств является то, как эффективно усилить кинетику электрохимической реакции. Мы посвятили себя изучению некоторых многообещающих стратегий для продвижения практического применения аккумуляторных устройств».
