Met de toenemende vraag naar betaalbare en duurzame energie, de voortdurende ontwikkeling van batterijen met een hoge energiedichtheid is essentieel. Lithium-zwavelbatterijen hebben de aandacht getrokken van zowel academische onderzoekers als professionals uit de industrie vanwege hun hoge energiedichtheid, goedkoop, overvloed, nontoxicity en duurzaamheid. Echter, Li-zwavelbatterijen hebben meestal een slechte levensduur en een lage energiedichtheid vanwege de lage geleidbaarheid van zwavel en het oplossen van lithiumpolysulfide-tussenproducten in de elektrolyten, die worden gegenereerd wanneer zuivere zwavel reageert met Li-ionen en elektronen.

Om deze uitdagingen te omzeilen, een multi-institutioneel onderzoeksteam onder leiding van Chunsheng Wang aan de Universiteit van Maryland heeft een nieuwe chemie ontwikkeld voor een zwavelkathode, die verhoogde stabiliteit en hogere energie van Li-zwavelbatterijen biedt. Chao Luo - een assistent-professor scheikunde en biochemie aan de George Mason University - diende als eerste auteur van het onderzoek, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) op 15 juni.

Tal van geleidende materialen zoals grafeen, koolstof nanobuis, poreuze koolstof en geëxpandeerd grafiet werden gebruikt om het oplossen van polysulfiden te voorkomen en de elektrische geleidbaarheid van zwavelkathoden te verhogen - de uitdaging hier is het inkapselen van de zwavel op nanoschaal in een geleidende koolstofmatrix met een hoog zwavelgehalte om de vorming van polysulfiden te voorkomen.

"We gebruikten de chemische binding tussen zwavel en zuurstof/koolstof om de zwavel te stabiliseren, " zei Luo. "Dit omvatte een behandeling bij hoge temperatuur om de 'ongerepte' zwavel te verdampen en de zuurstofrijke organische verbinding in een vacuümglazen buis te carboniseren om een ​​dicht zuurstofgestabiliseerd zwavel/koolstofcomposiet met een hoog zwavelgehalte te vormen."

In aanvulling, scanning elektronenmicroscoop (SEM) en transmissie elektronenmicroscopie (TEM) instrumenten, Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en paarverdelingsfunctie werden gebruikt om het reactiemechanisme van de elektroden te illustreren.

"In de dichte S/C-composietmaterialen, de gestabiliseerde zwavel is op moleculair niveau gelijkmatig in koolstof verdeeld met een zwavelgehalte van 60%, Wang zei. "De vorming van vaste elektrolyt-interfase tijdens de activeringscycli sluit de zwavel volledig af in een koolstofmatrix, biedt superieure elektrochemische prestaties onder arme elektrolytomstandigheden."

Li-zwavelbatterijen hebben toepassingen in huishoudelijke en draagbare elektronica, elektrische voertuigen, grootschalige energieopslagapparaten en meer.