De vraag naar een krachtig energieopslagapparaat neemt sterk toe. Er is behoefte aan een hoge energiedichtheid, oplaadbare batterijen, als elektrische voertuigen, draagbare elektronica, en duurzame energiewinning zijn in opkomst. Conventionele lithium-ion (Li-ion) batterijen zijn volwassen maar beperkt in energiedichtheid, en niet voldoen aan de toenemende vraag naar superieure energieopslag.

Lithium-zwavel (Li−S) batterijen, met drie tot vijf keer hogere energiedichtheid (~2600 Wh kg ^-1 in theorie) dan Li-ion batterijen, zijn een veelbelovende kandidaat. "De enorm hoge energiedichtheid van Li−S-batterijen is te danken aan het unieke reactiemechanisme. De transformatie tussen zwavel en lithiumsulfide omvat een faseovergang, het geven van een extreem hoge capaciteit in vergelijking met het intercalatiemechanisme, " zegt Dr. Qiang Zhang, een professor aan de afdeling Chemische Technologie, Tsinghua universiteit, China. "In veelgebruikte aprotische elektrolyten, de lithiëring van zwavel bestaat uit een vaste-vloeibare-vaste-conversie. De oplosbare tussenproducten, ook bekend als lithiumpolysulfiden, het redoxproces te vergemakkelijken en een hoge kathodecapaciteit mogelijk te maken."

Helaas, oplosbaar polysulfide-tussenproduct is zowel een zegen als een vloek. Terwijl het bijdraagt ​​aan de totale capaciteit, de oplosbaarheid van polysulfiden gaat gepaard met diffusie, resulterend in onomkeerbaar verlies van actieve zwavel in elektrolyt, anode of dode volumes.

"Capaciteitsverval veroorzaakt door het losraken van polysulfiden van het kathoderaamwerk is een groot probleem geweest dat de brede toepassing van Li−S-batterijen belemmert. De gebruikelijke oplossing om dit probleem tot nu toe op te lossen, is het onderdrukken van polysulfidediffusie, zoals het aannemen van functionele tussenlagen, anodebeschermende additieven, en nieuwe elektrolytconfiguraties, " zegt Zhe Yuan, de eerste auteur van dit werk. "Niettemin, de overloop van polysulfiden in elektrolyt moet niet alleen worden toegeschreven aan hun onvermijdelijke diffusie. De trage redoxreactiesnelheid van polysulfidetussenproducten is ook de schuld."

Zhang en zijn collega's vonden een intrigerende analogie van polysulfide-overloop - een echte overstroming - en raakten geïnspireerd. "Vergeleken met het blokkeren van de zondvloed met dijken, het graven en vergroten van kanalen of kanalen zijn schijnbaar effectievere benaderingen bij het verminderen van overstromingen, "zegt Qiang. "Evenzo, het versnellen van de polysulfide-redoxreactie, die oorspronkelijk traag is, verwijdert de barrière van polysulfideconsumptie, en verlicht daarom de schadelijke effecten die worden veroorzaakt door ophoping van polysulfide in de elektrolyt."

Het team ontdekte dat het de onverenigbaarheid was tussen polaire lithiumpolysulfidemoleculen en veelgebruikte nanokoolstofkathodesteigers die de redox-reactiviteit in bedwang hield. Nanokoolstofmaterialen zijn uitstekend geschikt voor Li−S-batterijen omdat ze zeer geleidend en poreus zijn. Maar hun niet-polaire oppervlaktekarakteristiek is niet gunstig om te worden gehecht door heteropolaire polysulfiden, "Op die manier, we speculeerden dat het voordelig zou zijn om een ​​polaire stof met hoge affiniteit voor polysulfiden toe te voegen aan het kathoderaamwerk, en het bleek waar te zijn, " zegt Zhe.

Het magische additief is kobaltdisulfide (CoS ₂ ), een half-metalen, aardrijk mineraal. Het team heeft CoS . geïmporteerd ₂ in grafeenkaders door gemakkelijke mechanische menging. De gemodificeerde kathoden gewapend met verbeterde interacties tussen CoS ₂ en lithiumpolysulfiden vertoonden aanzienlijk versnelde polysulfide-redoxreacties, bevorderde energie-efficiëntie en verhoogde ontladingscapaciteiten, zoals gerapporteerd in Nano-letters .