De enorme toename van het gebruik van mobiele technologie, draagbare elektronica, en een breed scala aan draagbare apparaten in het algemeen in de afgelopen decennia, heeft wetenschappers over de hele wereld ertoe aangezet om op zoek te gaan naar de volgende doorbraak in oplaadbare batterijen. Lithium-zwavelbatterijen (LSB's) - samengesteld uit een op zwavel gebaseerde kathode en lithiumanode ondergedompeld in een vloeibare elektrolyt - zijn veelbelovende kandidaten om de alomtegenwoordige lithium-ionbatterij te vervangen vanwege hun lage kosten en de niet-toxiciteit en overvloed aan zwavel.

Echter, het gebruik van zwavel in batterijen is om twee redenen lastig. Eerst, tijdens de "ontlading" cyclus, oplosbare lithiumpolysulfiden (LiPS) vormen zich aan de kathode, diffunderen in de elektrolyt, en gemakkelijk de anode bereiken, waar ze de capaciteit van de batterij geleidelijk verminderen. Tweede, zwavel is niet-geleidend. Dus, een geleidend en poreus gastheermateriaal is vereist om zwavel op te vangen en tegelijkertijd LiPS op de kathode op te vangen. In het recente verleden, op koolstof gebaseerde gastheerstructuren zijn onderzocht vanwege hun geleidbaarheid. Echter, op koolstof gebaseerde hosts kunnen LiPS niet vangen.

In een recente studie gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen , wetenschappers van het Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology stelden een nieuwe gastheerstructuur voor genaamd "platelet-ordered mesoporous silica (pOMS)". Wat ongebruikelijk is aan hun keuze is dat silica, een goedkoop metaaloxide, is eigenlijk niet-geleidend. Echter, silica is zeer polair en trekt andere polaire moleculen aan, zoals LiPS.

Bij het aanbrengen van een geleidend middel op koolstofbasis op de pOMS-structuur, de aanvankelijke vaste zwavel in de poriën van de structuur lost op in de elektrolyt, van waaruit het vervolgens diffundeert naar het geleidende middel op koolstofbasis om te worden gereduceerd om LiPS te genereren. Op deze manier, de zwavel neemt effectief deel aan de noodzakelijke elektrochemische reacties ondanks de niet-geleidbaarheid van het silica. In de tussentijd, de polaire aard van de pOMS zorgt ervoor dat de LiPS dicht bij de kathode en weg van de anode blijft.

De wetenschappers construeerden ook een analoog niet-polair, sterk geleidende conventionele poreuze koolstof-gastheerstructuur om vergelijkende experimenten uit te voeren met de pOMS-structuur. Prof Jong-Sung Yu, die de studie leidde, merkt op:"De batterij met de koolstofgastheer vertoont een hoge initiële capaciteit die snel daalt vanwege de zwakke interactie tussen niet-polaire koolstof en LiPS. De silicastructuur houdt duidelijk veel meer zwavel vast tijdens continue cycli; dit resulteert in een veel groter capaciteitsbehoud en stabiliteit over maar liefst 2000 cycli."

Nog, dit alles overwogen, misschien wel het belangrijkste inzicht dat uit deze studie kan worden afgeleid, is dat gastheerstructuren voor LSB's niet zo geleidend hoeven te zijn als eerder werd gedacht. Prof Yu zegt, "Onze resultaten zijn verrassend, zoals niemand ooit had gedacht dat niet-geleidend silica een zeer efficiënte zwavelgastheer zou kunnen zijn en zelfs beter zou presteren dan de modernste koolstofgastheren." Deze studie verbreedt de selectie van gastheermaterialen voor LSB's en zou kunnen leiden tot een paradigmaverschuiving bij het realiseren van de volgende generatie zwavelbatterijen.