Изследователи, назначени както в UC Berkeley, така и в Националната лаборатория на Lawrence Berkeley, са разработили висококачествена и дълготрайна Li-сярна батерия. Катодният материал е наноструктура от сърцевина и обвивка, съдържаща наносфери Li2S с вграден лист от графенов оксид (GO) като основен материал и конформален въглероден слой като обвивка.

Катодът Li2S/GO @ C показва висок първоначален разряден капацитет от 650 mA · hg –1 от Li2S (съответстващ на 942 mA · hg –1 от S) и много ниска степен на разпадане на капацитета от само 0,046% на цикъл с висока Кулонамична ефективност до 99,7% за 1500 цикъла, когато се циклира при скорост на разреждане 2 C. Доклад за тяхната работа е публикуван в списание ACS Нано писма.

Li/S клетката привлече голямо внимание поради необходимостта на пазара на електрически превозни средства (EV) от батерии с висока специфична енергия (∼350 W · h kg −1 при скорост на разреждане C/3), което значително надвишава практическата специфична енергия на текущите Li-йонни клетки (100-200 W · h kg -1). Въпреки големите предимства на Li/S клетките, ранните катодни бази на S в органични електролити показват ниско използване и лош живот на цикъла поради няколко основни проблема: (i) Изолационният характер на Li2S и S, които са крайните продукти на S електрода при напълно разредено и заредено състояние, съответно. (ii) Голямо изменение на обема на S-частиците по време на циклиране (~ 80%), което води до механично разграждане на електрода. (iii) Високо разтворими междинни видове (полисулфиди, Li2Sn, n = 4-8) в повечето органични течни електролити, което причинява загуба на активен материал от катода и полисулфиден совалков ефект. Когато полисулфидите се разтварят в течния електролит, те могат да дифузират напред-назад между електродите и да образуват неразтворим Li2S (или Li2S2) на повърхността на металния Li-електрод, което води до по-ниска кулоновска ефективност.

Ключовите фактори за подобряване на електрохимичните характеристики на Li/S клетките са повишаване на електронната проводимост на катода и потискане на разтварянето на полисулфида, както и механичното напрежение, причинено от промяната на обема по време на циклиране. Предложени са многобройни подходи: нанопроизводство на S (или композити на основата на S); химически (или механично) защитни материали върху S частиците; и композити с мезопорест въглерод или графенов оксид (GO), които могат да действат като S имобилизатори.

GO е много привлекателен за стабилизиране на цикличните характеристики на катодни бази на S, тъй като реактивните функционални групи на повърхността на GO могат да образуват връзки със S, което показва, че S (или полисулфиди) могат да бъдат уловени от тези функционални групи, отбелязва екипът на Бъркли.

Неотдавнашната работа започна да проучва използването на литиев сулфид (Li2S, теоретичен специфичен капацитет: 1166 mA · h g -1) като първоначален катоден материал вместо S (напр. По-ранна публикация, по-ранна публикация). С Li2S като катоден материал, механичните повреди на катода, дължащи се на обемното разширение на S частици (до 80%), причинени от процеса на литиране по време на разтоварването, могат да бъдат намалени, тъй като Li2S частиците вече заемат максималния обем спрямо S.

В допълнение, предварителното състояние на катодния Li2S катод може да се свърже с безлитиеви аноди като силиций (Si) и калай (Sn), като по този начин се избягват проблемите, свързани в момента с Li-метални аноди като дендритен растеж.

Въпреки това Li2S страда от много лоша електронна проводимост, разтваряне на полисулфид и ефект на совалката, които причиняват ниско използване на S, ниска кулоновска ефективност и бързо разграждане по време на колоездене.

За да се справят с тези проблеми, изследователите от Бъркли са използвали наносфери Li2S/GO с конформно въглеродно покритие на повърхността (Li2S/GO @ C). Техният материал предлага редица предимства:

Конформното въглеродно покритие не само забранява разтварянето на полисулфид в електролита, като предотвратява директен контакт между Li2S и течния електролит, но също така действа като електрически път, водещ до намаляване на съпротивлението на електродите.

Сферичната форма на частиците с субмикронни размери може да осигури кратък дифузионен път на твърдо състояние на Li и по-добра структурна стабилност на въглеродната обвивка по време на циклиране.

Празно пространство се създава във въглеродната обвивка по време на зареждане и ще осигури достатъчно пространство, за да побере разширяването на обема до 80% по време на разреждането. В резултат на това може да се осигури по-добра структурна стабилност на въглеродната обвивка, тъй като въглеродната обвивка няма да има нужда да се разширява по време на колоездене.

Дори ако известен процент от въглеродните черупки се счупят поради физически несъвършенства, GO в частиците може да действа като втори инхибитор за разтваряне на полисулфид поради своята S имобилизираща природа.

високоскоростна


Ефективността на колоездене на електродите се е движила с различни скорости. Кредит: ACS, Hwa и др. Щракнете за уголемяване.

Наносферният катод Li2S/GO @ C демонстрира обещаващи електрохимични характеристики:

Продължителен живот на цикъла (1500 цикъла) при скорост на изпускане 2,0 C (1,0 C = 1,163 A g -1 на Li2S) с висок първоначален капацитет 650 mA · hg -1 на Li2S (съответстващ на 942 mA · hg -1 на S ) и 699 mA · hg -1 на Li 2S (1012 mA · hg -1 на S) при 0,05 C след 400 цикъла при разреждане 2,0 C; и

отлично задържане на капацитет над 84% с висока кулоновска ефективност до 99,7% след 150 цикъла при различни C-скорости на разреждане (2.0, 3.0, 4.0 и 6.0 C).