Zwavel, in enorme overvloed als bijproducten van de aardolie-industrie, is een van de meest intrigerende oplossingen om het energiedilemma aan te pakken door de chemie tussen zwavel en lithium te manifesteren. Dus, lithium-zwavelbatterijen die lithium-zwavel-redoxkoppel gebruiken, leveren theoretisch een energiedichtheid van 2600 Wh kg-1, wat 3-5 keer hoger is dan traditionele lithium-ionbatterijen. Hoewel een veelbelovend vooruitzicht, er zijn nog steeds verschillende obstakels die de praktische toepassing ervan in de weg staan. Een van de belangrijkste is de snelle capaciteitsvervaging.

"Het snelle capaciteitsverval van de lithium-zwavelbatterij wordt toegeschreven aan vele aspecten. Een van de meest algemeen aanvaarde redenen is te wijten aan de intermediaire polysulfiden. Polysulfiden zijn een overgangsvorm van zwavel, gedeeltelijk gelithieerd, die zeer polair en oplosbaar is in de typische organische elektrolyt die we gebruikten. Tijdens het lossen, ze lossen op in de elektrolyt, diffuus van kathode naar anode, en reageren met lithiumanode. Op deze manier gaan de actieve stoffen verloren, waardoor de capaciteit vervaagt, " zei Dr. Qiang Zhang, een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit. "Dit probleem baart enorme zorgen en er wordt veel moeite gedaan om dit probleem aan te pakken. Maar we zijn ook geïnteresseerd in een ander probleem, de dynamische fluctuatie van affiniteit tussen verschillende zwavelsoorten en geleidende gastheermaterialen."

"Vanwege het multi-elektronenoverdrachtsproces, zwavelsoorten variëren van aanvankelijk elementair zwavel, intermediaire polysulfiden, en uiteindelijk ontladingsproduct van lithiumsulfiden. Zwavel is apolair, en vertoont dus de hoogste affiniteit voor conventionele koolstofgastheren. Hoewel polsulfiden en lithiumsulfiden zeer polair zijn, verzwakking van de interactie tussen hen en koolstof. Door deze slechte interactie ze maken gemakkelijk los van de koolstofgastheer en dragen geen capaciteit bij. Als resultaat, de prestaties van een lithium-zwavelbatterij verslechteren snel wanneer alleen zuivere koolstofgastheren worden gebruikt, "zei Qiang. "Daarom, een belangrijk probleem is hoe een ideaal gastheermateriaal te kiezen met een hoge affiniteit voor zowel apolaire zwavel als polaire polysulfiden, evenals lithiumsulfiden."

Hierin, met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen werden aangenomen als gastheermateriaal voor zwavelkathode. Stikstofatomen met een hogere elektronegativiteit worden opgenomen in de grafietroosters van koolstofnanobuizen, waarvan is aangetoond dat het in staat is om de elektronische structuur en oppervlakte-eigenschappen af ​​te stemmen. Hoe beïnvloeden de doteringsstikstofatomen het elektrochemische gedrag wanneer met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen worden toegepast voor lithium-zwavelbatterijen?

Hong-Jie Peng, een afgestudeerde student en de eerste auteur, deze vraag bewust beantwoord. "Ten eerste, we hebben een dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -onderzoek uitgevoerd en drie moleculaire modellen ontworpen om pure koolstof te illustreren, koolstof met stikstof aan de rand, die we pyridinestikstof noemden, en koolstof met stikstof die het centrale koolstofatoom vervangt, die we quaternaire stikstof noemden. Door theoretische berekening, we ontdekten dat met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen een sterkere interactie vertoonden met polysulfiden en lithiumsulfiden. Dit wordt toegeschreven aan de adsorptie van deze polaire zwavelsoorten op de negatief geladen met stikstof gedoteerde plaatsen. Het onthulde dat met stikstof gedoteerde koolstofnanobuisjes het proberen waard zouden kunnen zijn."

"Vervolgens, we hebben zojuist met stikstof gedoteerde koolstof nanobuis / zwavelcomposieten gemaakt en batterijen geassembleerd om te controleren of onze theoretische resultaten betrouwbaar waren. wonderbaarlijk, het elektrochemische experiment kwam goed overeen met de theoretische voorspelling. In vergelijking met op ruwe koolstof nanobuisjes gebaseerde batterij, het fietsleven werd zes keer significant bevorderd. Verder, delicate elektrochemische analyse ondersteunde theoretische resultaten en celprestaties, "zei Hong-Jie. Dit werk stelt het belang voor van een stabiele dynamische interface tussen koolstofgastheren en zwavelhoudende gasten en werpt een nieuw licht op het vervalmechanisme van lithium-zwavelbatterijen, die onlangs werd gepubliceerd in Geavanceerde materiaalinterfaces .

"Meer geavanceerde gastheermaterialen die voldoen aan de vraag naar amfifiliciteit voor zowel apolaire als polaire zwavelsoorten, zullen worden onderzocht, ' zei Qiang.