Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van Prof. Zhang Huigang van het Institute of Process Engineering (IPE) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en Dr. Lu Jun van het Argonne National Laboratory, VS, heeft een "vulkaanvormige" relatie gevonden tussen polysulfide-adsorptie en katalytische activiteit in lithium-zwavel (Li-S) batterijen.

De studie is gepubliceerd in Nature Catalysis op 16 juni.

Volgens prof. Zhang kan deze vulkaanvormige relatie het al lang bestaande principe wijzigen dat "sterke adsorptie van polysulfiden leidt tot goede katalytische activiteit."

Het Li-S-systeem biedt een groot potentieel voor batterijen van de volgende generatie vanwege de hoge energiedichtheid. De trage kinetiek van polysulfide-omzettingsreacties leidt echter tot het "shuttling-effect" en beperkt het snelheidsvermogen en de recycleerbaarheid, wat praktische toepassingen belemmert.

Onlangs hebben veel experimentele onderzoeken gerapporteerd dat katalytische omzetting van polysulfiden een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de kinetiek en het onderdrukken van polysulfide-shuttles. Ondanks een aanzienlijke verbetering van de elektrochemische prestaties van Li-S-batterijen, zijn onderzoeken naar katalysatoren sterk gebaseerd op vallen en opstaan ​​en is het leidende principe ongrijpbaar gebleven.

In deze studie toonden de onderzoekers aan dat, hoewel een sterke adsorptie van polysulfiden de activeringsbarrière voor polysulfide-omzetting kan verlagen, het op zijn beurt de desorptie van producten belemmert. Dit komt door het schaalprincipe omdat polysulfiden (van Li₂ S₈ naar Li₂ S₂ /Li₂ S) worden achtereenvolgens geadsorbeerd op dezelfde plaatsen tijdens het laden/ontladen.

Om de adsorptie-energie te reguleren en de katalytische efficiëntie te maximaliseren, hebben ze overgangsmetaal gedoteerd in het kristallografische raamwerk van ZnS. De doteermiddelen werden in gestresste toestanden geplaatst en hun d-orbitalen werden dienovereenkomstig afgestemd. Als resultaat had de adsorptie-energie een lineaire relatie met het d-bandcentrum van doteerstoffen, maar de katalytische activiteit vertoonde een "vulkaanvormige" trend.

Een dergelijke ontdekking geeft aan dat een al lang bestaande veronderstelling van versterking van adsorptie om katalyse te verbeteren ongeldig is wanneer desorptie snelheidsbeperkend is. "Katalysatoren en absorptiemiddelen in een Li-S-batterij moeten afzonderlijk worden ontworpen om de prestaties van Li-S-batterijen te verbeteren", zegt prof. Zhang.

Deze studie biedt een rationele basis om het katalytische proces van Li-S-batterijen op atomair of moleculair niveau te begrijpen en om nieuwe katalysatoren te ontwerpen. + Verder verkennen

Wetenschappers ontwikkelen krachtige lithium-zwavelbatterijen