Wat krijg je als je een dun vel van het 'wondermateriaal' grafeen wikkelt rond een nieuwe multifunctionele zwavelelektrode die een energieopslageenheid en elektronen/ionenoverdrachtsnetwerken combineert? Een zeer veelbelovend elektrodestructuurontwerp voor oplaadbare lithium-zwavelbatterijen.

Lithium-zwavelbatterijen zijn van groot commercieel belang omdat ze theoretische specifieke energiedichtheden hebben die aanzienlijk groter zijn dan die van hun reeds gevestigde neef, lithium-ion batterijen.

In het journaal APL-materialen , van AIP Publishing, een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Vasant Kumar van de Universiteit van Cambridge en professor Renjie Chen van het Beijing Institute of Technology beschrijven hun ontwerp van een multifunctionele zwavelkathode op nanoniveau om prestatiegerelateerde problemen zoals lage efficiëntie en capaciteitsdegradatie aan te pakken.

Metal Organic Frameworks (MOF's) hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken, dankzij brede toepassingen in waterstofopslag, vastlegging van kooldioxide, katalyse en membranen. En om hun kathode te creëren, het team tikte MOF "als een sjabloon" aan om een ​​geleidende poreuze koolstofkooi te produceren - waarin zwavel fungeert als de gastheer en elk zwavel-koolstof nanodeeltje fungeert als energieopslageenheden waar elektrochemische reacties plaatsvinden.

"Onze koolstofsteiger fungeert als een fysieke barrière om de actieve materialen op te sluiten in zijn poreuze structuur, " legde Kai Xi uit, een onderzoekswetenschapper in Cambridge. "Dit leidt tot verbeterde fietsstabiliteit en een hoog rendement." Ze ontdekten ook dat door de zwavel-koolstof-energieopslageenheid verder te wikkelen in een dunne laag flexibel grafeen het transport van elektronen en ionen versnelt.

Wat zit er achter de verbeterde capaciteit? Snelle kinetiek van ladingsoverdracht wordt mogelijk gemaakt door een onderling verbonden grafeennetwerk met een hoge elektrische geleidbaarheid, volgens de ploeg. Hun werk laat zien dat de composietstructuur van een poreuze steiger met geleidende verbindingen een veelbelovend elektrodestructuurontwerp is voor oplaadbare batterijen.

Dit werk biedt een "basis, maar flexibel, aanpak om zowel het gebruik van zwavel te verbeteren als de cyclusstabiliteit van batterijen te verbeteren, " zei Xi. "Modificatie van de eenheid of het frame door doping of polymeercoating zou de prestaties naar een geheel nieuw niveau kunnen tillen."

Op het gebied van toepassingen, de unieke integratie van energieopslag in het nieuwe batterijontwerp met een ionen/elektronenraamwerk heeft nu de deur geopend voor de fabricage van hoogwaardige niet-topotactische (zonder structurele verandering in een kristallijne vaste stof) op reacties gebaseerde energieopslagsystemen.

Wat volgt er voor het team? "We zullen ons concentreren op het fabriceren van hybride vrijstaande zwavelkathodesystemen om batterijen met een hoge energiedichtheid te bereiken, waarbij nieuwe elektrolytcomponenten op maat worden gemaakt en lithium-'beschermingslagen' worden gebouwd om de elektrochemische prestaties van batterijen te verbeteren, " merkte Xi op.