Energieopslagsystemen met een hoge energiedichtheid zijn essentieel om te voldoen aan de steeds toenemende eisen van elektronische apparaten, elektrische voertuigen, en smart grids voor intermitterende zonne- of windenergie. De lithium-zwavel (Li-S) batterij is een veelbelovende kandidaat voor energieopslag van de volgende generatie, met een extreem hoge theoretische energiedichtheid die vijf tot zeven keer hoger is dan die van conventionele LIB's.

Echter, een aantal obstakels belemmeren praktische toepassingen van Li-S-batterijen. Een van de belangrijkste problemen is de diffusie van polysulfidetussenproducten van de kathode, die het onomkeerbare verlies van actieve materialen en capaciteitsverlies veroorzaakt. Nanokoolstof met een niet-polair oppervlak als kathodemateriaal kan niet voldoende bindende en beperkende effecten bieden om polysulfiden in de kathode te houden. Bovendien, het slechte elektrochemische contact veroorzaakt door de zwakke combinatie tussen actieve polysulfiden en nanokoolstof belemmert ook de snelle en gestage cycli van Li-S-cellen.

"Heteroatoomdoping wordt beschouwd als een veelbelovende route voor de adsorptie en immobilisatie van polysulfidetussenproducten, " zegt prof. Qiang Zhang, een onderzoeker van de Tsinghua University, China. "Echter, de oorsprong van het verankeringseffect van heteroatomen is nog steeds niet duidelijk, die grotendeels de verbetering van de adsorptie van polysulfiden en het rationele ontwerp van kathodematerialen beperkt."

Meest recent, Prof. Q. Zhang en medewerkers van de Tsinghua University rapporteerden samen met Prof. B. Li van het Institute of Metal Research een theoretische studie over het vermogen van een reeks gedoteerde nanokoolstofmaterialen om polysulfiden op te vangen. Het toonde aan dat door het vormen van een 'lithiumbinding' (een analoog van 'H-binding'), de chemische modificatie met behulp van N- of O-doteringsmiddel verbetert de interactie tussen de koolstofgastheer en de polysulfidegasten aanzienlijk en voorkomt daardoor effectief de shuttle van polysulfiden.

"Voor de eerste keer, we hebben een parallel kwantumchemisch screeningproces uitgevoerd om de meest effectieve dopingelementen te kiezen die helpen de polysulfiden te beperken." Tingzheng Hou, zegt de eerste auteur. "Het bleek dat de N- en O-doping in nanokoolstofmaterialen een sterke dipool-dipool elektrostatische interactie kan vormen, die voor het eerst werd geïdentificeerd als de dominante interactie tussen gedoteerde nanokoolstof en lithiumpolysulfiden, terwijl F, B, P, S- en Cl-doteermiddelen waren niet in staat om dat te vormen."

Experimenteel werk gerapporteerd door andere onderzoekers stemde overeen met dit voorspellende resultaat. Bijvoorbeeld, de N-gedoteerde grafeenpapierelektrode vertoonde een hoge specifieke capaciteit van ongeveer 1000 mAh g ^-1 na 100 cycli en uitstekende coulombefficiëntie van 98 procent voor Li-S-cel van het katholiettype. Zo kan een sterk verlengde levensduur van meer dan 2000 cycli en een extreem lage capaciteitsvervalsnelheid van 0,028 procent per cyclus worden bereikt.

"Om het sterk-koppeleffect tegen polysulfiden te bereiken, we hebben een reeks regels voorgesteld voor het rationele ontwerp van gedoteerde koolstofsteigers in Li-S-batterijen op basis van onze berekening, " zegt Hou, "Met deze voorwaarden vervuld, de gedoteerde koolstof zou een sterke dipool kunnen bieden met lone pair-verkiezing om een ​​sterke elektrostatische dipool-dipool-interactie met polysulfiden te vormen en de interactie te verbeteren. De belangrijkste factor is de elektronegativiteit van de dopingatomen."

Om het belang van elektronegativiteit te verduidelijken, een impliciete relatie tussen de vulkaanplot die de elektronegativiteit van dopingatomen correleert met de adsorptie-energieën werd voorgesteld door Qiang en collega's om licht te werpen op de vorming van het sterke verankeringseffect. Deze relatie biedt een nieuw begrip van de screening en het rationele ontwerp van gedoteerde nanokoolstofmaterialen voor het immobiliseren van polysulfiden.

"Als we een stap verder gaan dan de regels en het vulkaanplan om een ​​doorbraak te zoeken voorbij de maximale limiet van monodoping, er zijn co-doping nanomaterialen waarin twee of meer doteermiddelen naast elkaar synergetisch het dipoolmoment versterken en een nog betere affiniteit bieden voor polysulfiden", aldus prof. Qiang. In de nabije toekomst zal ze zullen het synergie-effect van co-doping verder bestuderen en de mogelijkheid onderzoeken om de interfaciale interacties in de kathode-interface verder te verbeteren.