Lithium-ionbatterijtechnologie (LIB's) is een van de belangrijkste mobiele stroombronnen voor laptops, camera's, en smartphones. Echter, de huidige energiedichtheid van LIB's nadert de theoretische limiet, wat de dringende behoefte aan nieuwe batterijsystemen met een hoge energiedichtheid onderstreept. Onder de opslagsystemen met hoge energiedichtheid, lithium-zwavel batterijen, met energiedichtheid van 2600 Wh kg ^-1 (bijna 3 ~ 5 keer dan die van de traditionele LIB's), heeft het potentieel om te dienen als de volgende generatie hoge-energiebatterijen. Zwavel heeft een zeer lage elektrische geleidbaarheid van 5x10 ^-30 S cm-1 bij kamertemperatuur. Daarom, 30-70 gew. procent geleidende materialen, bijv. koolstof nanobuisjes, grafeen, poreuze koolstof, en geleidende polymeren, moeten worden toegevoegd aan de elektrode voor een hoog gebruik van zwavel bij de huidige verwerkingstechnologie. De toevoeging van nanokoolstofmaterialen met een lage stapeldichtheid neutraliseert de hoge energiedichtheid, vooral de volumetrische energiedichtheid van lithium-zwavelbatterijen.

Onderzoekers in de groep van Prof. Qiang Zhang van de Tsinghua Universiteit in Peking hebben een nieuwe strategie ontwikkeld om de hoeveelheid zwavel te verhogen tot 90 gew.% in kathodematerialen op basis van een uitgelijnde CNT/S-steiger, wat de ultrahoge volumetrische energiedichtheid van lithium-zwavelbatterijen ten goede komt. Een volumetrische capaciteit van 1116 mAh・cm-3 en een volumetrische energiedichtheid van 434 Wh・L ^-1 werden bereikt op basis van het volume van de totale cel, inclusief kathode, stroomafnemer, membraan, anode, die veel verder ging dan de lithium-dunne-filmbatterij. Het team heeft hun bevindingen gepubliceerd in een recent nummer van: Nano-energie (2014, 4, 65-72).

"Het ontwerp van zwavelkathodematerialen voor lithiumzwavelbatterijen met een hoge volumetrische energiedichtheid is cruciaal voor praktische toepassingen, " zei Qiang. "We hebben uitgelijnde CNT's gekozen als de ultralichte steiger omdat ze een hiërarchische poreuze architectuur demonstreren, extreem hoge elektrische geleidbaarheid, lage dichtheid, evenals lage kosten." In feite, dergelijke soorten uitgelijnde CNT's met een lengte van 20-200 m zijn in massa geproduceerd in een wervelbedreactor tegen lage kosten van minder dan $ 100 per kg ^-1 . "Deze uitgelijnde CNT's kunnen gemakkelijk worden gedispergeerd in polymeer met een ultra-lage geleidende percolatiedrempel van 0,0025 gew.%. Het is duidelijk dat ze kunnen ook dienen als een zeer efficiënte geleidende steiger voor zwavelmaterialen." Prof. Fei Wei voegt toe, "We hebben een schaalbare, kamertemperatuur, eenstapsmethode voor de fabricage van een uitgelijnde CNT/zwavelkathode. Het composiet kathodemateriaal heeft een ultrahoog zwavelgehalte van 90 gew.% en een hoge dichtheid van 1,98 g cm ^-3 , die 2 tot 4 keer groter is dan die van de routinematige zwavel/koolstof-composietkathode. Daarom, de volumetrische energiedichtheid van dit onderzoek gaat veel verder dan het gerapporteerde resultaat."

Zoals prof. Zhang aangeeft, deze benadering werpt enig licht op het bouwen van lithium-zwavelbatterijen met een hoge volumetrische energiedichtheid door gebruik te maken van een composietkathode met hoge dichtheid en een hoog zwavelgehalte. Toekomstig werk bij de ontwikkeling van lithiumzwavelbatterijen kan zich richten op de strategie om het shuttle-effect te verlichten en de lithiumdendrieten te onderdrukken, en verdere verbetering van de gravimetrische en volumetrische energiedichtheid van lithium-zwavel elektrochemische systemen.