Door sp . te hybridiseren ² nanokoolstof en nanogestructureerde poreuze koolstof, onderzoekers hebben een high-energy en high-power lithium-zwavel batterij gemaakt aan de Tsinghua University, verschijnen op Volume 24, Nummer 19 van Geavanceerd functioneel materiaal gepubliceerd op 21 mei, 2014.

"Gemotiveerd door de snelle ontwikkeling van draagbare elektronica, elektrische voertuigen, en de oogst van hernieuwbare energie, geavanceerde energieopslagapparaten zoals lithiumbatterijen zijn zeer gewild, " zei Dr. Qiang Zhang, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Aangezien de traditionele lithium-ionbatterij zijn theoretische beperking voor energiedichtheid heeft bereikt, onze groep verkende het enorme potentieel van lithium-zwavelbatterijen, een nieuw elektrochemisch energieopslagsysteem, en heeft ongeveer twee jaar breed onderzoek uitgevoerd."

Lithium-zwavel batterijen, met zwavel als kathode en metallisch lithium als anode, levert theoretisch een energiedichtheid van 2600 Wh kg ^-1 , drie tot zes keer hoger dan traditionele lithium-ionbatterijen wanneer zwavel en lithium volledig reageren. Aanvullend, het kathodemateriaal zwavel is van nature overvloedig aanwezig, goedkoop, en milieuvriendelijk. Echter, er zijn nog verschillende uitdagingen die moeten worden aangegaan voordat lithium-zwavelbatterijen praktische toepassing vinden.

"Aan de ene kant, zwavel is zeer elektrisch en ionisch isolerend. De geleidbaarheid is enkele tot tien ordes van grootte lager dan die van typische LiCoO ₂ of LiFePO ₄ kathodemateriaal gevonden in lithium-ionbatterijen, waarbij 25 tot 40 procent meer gewicht aan geleidende middelen nodig is in de hele kathode, waardoor de volledige demonstratie van de intrinsieke hoge energiedichtheid wordt belemmerd, " Qiang vertelde Phys.org,

"Anderzijds, vanwege het meerstaps- en meerfasenreactiepad, het hoog oplosbare tussenproduct, altijd in de vorm van ketenachtige polysulfide-anionen, genereert aan de kathodezijde, diffundeert door het membraan, reageert met lithiumanode, en pendelt terug. Tijdens het hele proces, polysulfiden lossen op en reageren onomkeerbaar met lithium en organische componenten, het veroorzaken van de vernietiging van de kathodestructuur, uitputting van lithiumanode, en verlies van actieve stoffen. Dus, de levenscyclus is erg slecht."

Werkelijk, vergelijkbaar met geavanceerd anodemateriaal zoals silicium en tin, er is een enorme volumeverandering (ongeveer 60-70 procent) wanneer zwavel volledig wordt gelithieerd tot lichter lithiumsulfide, resulterend in het falen van de geleidende steiger en ook de slechte levensduur. Om dergelijke veelzijdige problemen op te lossen, onderzoekers moeten multifunctioneel materiaal ontwikkelen met een hoge elektrische geleidbaarheid, een onderling verbonden ionenroute, en voldoende ruimte voor het opnemen van zwavel en het vertragen van de diffusie van polysulfiden.

"Koolstofmateriaal speelt een cruciale rol in geavanceerde energieopslagsystemen zoals lithium-zwavelbatterijen vanwege hun uitstekende geleidbaarheid, mechanische flexibiliteit, en op maat gemaakte morfologie en oppervlaktechemie", zegt prof. Fei Wei. "Onze groep heeft lange tijd nanokoolstofmateriaal onderzocht en een reeks methodologieën ontwikkeld voor massaproductie van koolstofnanobuisjes (CNT's) en grafeen, evenals hun toepassing voor energieopslag. De SP ² nanokoolstof bezit buitengewone elektronengeleiding met een beperkt specifiek oppervlak en beperkte ruimte. Nanogestructureerde poreuze koolstof zoals actieve kool en mesoporeuze koolstof hebben een hoog specifiek oppervlak en een hoge porositeit, maar een lage geleidbaarheid vanwege de gebrekkige aard. Aangezien beide niet kunnen voldoen aan de eis van lithium-zwavelbatterijen, de hybridisatie, of het 'huwelijk' van twee van dergelijke materialen zal resulteren in een nieuwe koolstofnanoarchitectuur die de voordelen erft en superieure functionaliteit vertoont."

Op basis van dit begrip, Hong-Jie Peng, een afgestudeerde student en de eerste auteur, ontwikkelde een in-situ strategie voor chemische dampafzetting, gevolgd door koolwaterstofpyrolyse en chemische activering. Een CNT/grafeen/poreuze koolstof nanoarchitectuur met buitengewone elektrische geleidbaarheid en hiërarchische micro-/mesoporiën werd vervaardigd voor een geavanceerde koolstof/zwavel composiet kathode. Het rationele huwelijk van de twee koolstofmaterialen realiseerde het potentieel van koolstofmateriaal als zowel elektronen/ionenroute als actief massareservoir. De resulterende lithium-zwavel vertoonde een langere levensduur en een superieur vermogen.

"We hopen dat de geavanceerde koolstofmaterialen lithium-zwavelbatterijen kunnen helpen vergelijkbaar te zijn met het motoraangedreven systeem voor toekomstig elektrisch vervoer." zei Hong-Jie. Verdere studie zal zich toespitsen op de toename van het zwavelgehalte in de oppervlakte en het werkelijke gehalte, evenals de innovatie van membraan, anode, elektrolyt, en de hele configuratie van de cel. Aanvullend, het gehybridiseerde koolstofmateriaal heeft geweldige toepassingen in supercondensatoren, natrium-ion batterijen, en metaal-luchtbatterijen, en andere technologieën.