Met de snelle ontwikkeling van draagbare elektronische apparaten, elektrische auto's, en opslag van hernieuwbare energie, energieopslagsystemen met een hoge dichtheid zijn nodig. Lithium-ion batterijen, hoewel volwassen en op grote schaal gebruikt, de theoretische limiet zijn tegengekomen en daarom niet kunnen voldoen aan de dringende behoefte aan een hoge energiedichtheid. Lithium-zwavel batterijen, met een theoretische energiedichtheid van 2600 Wh kg-1, die ongeveer 4 keer zoveel zijn als commercieel gebruikte lithium-ionbatterijen, worden beschouwd als sterke kandidaten. De overvloed en het milieuvriendelijke karakter van het element zwavel als kathodemateriaal zijn factoren in het enorme potentieel van lithium-zwavelbatterijen. De combinatie van nanokoolstof en zwavel is effectief in het overwinnen van de isolerende aard van zwavel voor lithiumzwavelbatterijen.

"Door de uitstekende elektrische geleidbaarheid, mechanische sterkte en chemische stabiliteit, nanokoolstofmaterialen hebben een essentiële rol gespeeld op het gebied van geavanceerde energieopslag, " zei Dr. Qiang Zhang, universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie aan de Tsinghua University.

Echter, de meeste bijdragen met betrekking tot koolstof/zwavel-composietkathoden hebben een relatief lage oppervlaktelading aan zwavel van minder dan 2,0 mg cm ^-2 , die de volledige demonstratie van de uitstekende prestaties van C/S-composietkathoden verhinderde. "De oppervlaktecapaciteit van commercieel gebruikte lithium-ionbatterijen is ongeveer 4 mAh cm ^-2 , en daarom, de oppervlaktelading van zwavel in de kathode van lithium-zwavelbatterijen moet sterk worden verbeterd, ' zei Qiang.

Onlangs, wetenschappers van de Tsinghua University hebben een vrijstaande koolstofnanobuis-papierelektrode gemaakt met een hoge zwavelbelasting voor lithium-zwavelbatterijen.

Er werd een bottom-up strategie gehanteerd en een hiërarchische structuur ontworpen en gerealiseerd.

"We selecteren koolstofnanobuisjes (CNT) als bouwsteen", Qiang vertelde Phys.org, "CNT's zijn een van de meest efficiënte en effectieve geleidende vulstoffen voor elektrodes. We selecteerden korte meerwandige CNT's (MWCNT's) met een lengte van 10-50 m als het elektrisch geleidende netwerk met korte afstand om zwavel te ondersteunen, evenals superlange CNT's met een lengte van 1000-2000 m van verticaal uitgelijnde CNT's (VACNT's) als zowel geleidende netwerken met een groot bereik als onderling gepenetreerde bindmiddelen voor de hiërarchische vrijstaande papierelektrode."

"We ontwikkelen een bottom-up routine waarin zwavel eerst goed in het MWCNT-netwerk werd gedispergeerd om MWCNT@S-bouwstenen te verkrijgen en vervolgens werden MWCNT@S en VACNT's geassembleerd tot macro-CNT-S-films via de dispersie in ethanol gevolgd door vacuüm filtratie", Zhe Yuan, een student aan de Tsinghua Universiteit, uitgelegd, "Dergelijke zwavelelektroden met hiërarchische CNT-steigers kunnen meer dan 5 tot 10 keer de zwavelsoorten bevatten in vergelijking met conventionele elektroden op stroomcollectoren van metaalfolie, terwijl het hoge gebruiksniveau van zwavel behouden blijft."

In de meeste gerapporteerde Li-S-cellen, aluminiumfolie werd gebruikt als stroomafnemer en een routinematige slurry-coatingprocedure werd veel gebruikt. Echter, er was een verhouding van 10 tot 50 gew.% bindmiddelen, geleidende middelen, evenals het wijzigen van voorlopers in de elektrode, die het voordeel van Li-S-systeem in hoge specifieke capaciteit neutraliseerde.

Hierin, er is bij dit onderzoek geen gebruik gemaakt van aluminiumfolie of bindmiddelen.

"Een initiële ontladingscapaciteit van 6,2 mAh cm ^-2 (995 mAh g-1), een 60% gebruik van zwavel, en een langzame cyclische fadingsnelheid van 0,20 %/cyc binnen de initiële 150 cycli bij een lage stroomdichtheid van 0,05 C werden bereikt, " zegt co-auteur Jia-Qi Huang van Tsinghua University. "De oppervlaktecapaciteit kan verder worden vergroot tot 15,1 mAh cm ^-2 door drie CNT-S-papierelektroden op elkaar te stapelen, met een oppervlakte zwavelbelading van 17,3 mg cm ^-2 als de kathode in een Li-S-cel." Dit werk werd gepubliceerd op Volume 24, Nummer 39 van Geavanceerd functioneel materiaal op 22 oktober 2014.

Dit proof-of-concept-experiment geeft aan dat het rationele ontwerp van de nanogestructureerde elektrode de mogelijkheid biedt om actieve materialen efficiënt te gebruiken als praktische belasting. "De huidige bottom-up elektrodefabricageprocedure is effectief voor de voorbereiding van grootschalige flexibele papierelektroden met een goede verdeling van alle functionele verbindingen, wat ook gunstig is voor grafeen, CNT-grafeen, Op CNT-metaaloxide gebaseerde flexibele elektroden, " Qiang zei. "De als verkregen vrijstaande papierelektrode is veelbelovend voor de alomtegenwoordige toepassingen van Li-S-batterijen met lage kosten, hoge energiedichtheden voor toekomstige flexibele elektronische apparaten zoals slimme elektronica en roll-up displays."