A Berkeley Lab csapatai nagy sebességű, hosszú élettartamú Li-S akkumulátort fejlesztenek ki Li2S-grafén katóddal

Az UC Berkeley és a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban kinevezett kutatók nagy sebességű és hosszú élettartamú lítium-kén elemcellát fejlesztettek ki. A katód anyaga egy mag – héj nanostruktúra, amely Li2S nanoszférákat tartalmaz, maganyagként beágyazott grafén-oxid (GO) lapot és héjként konformális szénréteget tartalmaz.

A Li2S/GO @ C katód magas kezdeti kisülési kapacitással, 650 mA · hg –1 Li2S-rel (ami megfelel az S 942 mA · hg –1 S-nek), és nagyon alacsony kapacitás-bomlási sebességgel, ciklusonként csak 0,046%, magas Coulombikus hatékonyság akár 99,7% 1500 ciklus esetén, ha a ciklust 2 C kisütési sebességgel hajtják végre. Munkájukról egy cikket az ACS folyóirat jelentet meg Nano Letters.

A Li/S cella nagy figyelmet keltett az elektromos járművek (EV) piacának szükségessége miatt a nagy fajlagos energiájú akkumulátorok iránt (~ 350 W · h kg −1 C/3 kisütési sebességnél), ami nagymértékben meghaladja a gyakorlati fajlagos energiát a jelenlegi Li-ion cellákból (100−200 W · h kg −1). A Li/S-sejtek nagy előnyei ellenére azonban a szerves elektrolitokban található korai S-alapú katódok alacsony kihasználtságot és gyenge ciklus-élettartamot mutattak számos fő probléma miatt: (i) Az Li2S és S szigetelő jellege, amelyek a végső az S elektróda termékei teljesen kisütött és feltöltött állapotban. (ii) Az S-részecskék nagymértékű térfogatváltozása a ciklus során (~ 80%), ami az elektróda mechanikai lebomlását eredményezi. (iii) A legtöbb szerves folyékony elektrolitban jól oldódó köztitermékek (poliszulfidok, Li2Sn, n = 4-8), ami a katód aktív anyagának elvesztését és a poliszulfid transzfer hatást okozza. Ha a poliszulfidokat feloldjuk a folyékony elektrolitban, akkor oda-vissza diffundálhatnak az elektródák között, és oldhatatlan Li2S-t (vagy Li2S2) képezhetnek a Li-fém elektróda felületén, ami alacsonyabb Coulombic-hatékonysághoz vezet.

A Li/S cellák elektrokémiai teljesítményének javításának kulcsfontosságú tényezői a katód elektronikus vezetőképességének növelése és a poliszulfid oldódás, valamint a ciklus során a térfogatváltozás okozta mechanikai igénybevétel elnyomása. Számos megközelítést javasoltak: S (vagy S-alapú kompozitok) nanokészítése; kémiailag (vagy mechanikusan) védőanyagok az S részecskéken; és mezoporózus szénnel vagy grafén-oxiddal (GO) rendelkező kompozitok, amelyek S immobilizátorként működhetnek.

A GO nagyon vonzó az S-alapú katódok kerékpáros teljesítményének stabilizálása szempontjából, mivel a GO felületén található reaktív funkciós csoportok kötéseket képezhetnek S-vel, ami azt jelzi, hogy S (vagy poliszulfidok) képesek megfogni ezeket a funkcionális csoportokat - jegyezte meg a Berkeley-csoport.

A közelmúltban megkezdődött a lítium-szulfid (Li2S, elméleti fajlagos kapacitás: 1166 mA · h g −1) kezdeti katódanyagként való használata S helyett (pl. Korábbi poszt, korábbi poszt). Ha a Li2S a katód anyaga, a katód mechanikai károsodása az S részecskék térfogat-tágulása (akár 80%) miatt, amelyet a lítiációs folyamat okoz a kisülés során, csökkenthető, mivel az Li2S részecskék már az S.

Ezenkívül az Li2S katód előzetes állapotát összekapcsolhatjuk Li-mentes anódokkal, például szilíciummal (Si) és ónnal (Sn), elkerülve ezzel a Li-metal anódokkal jelenleg kapcsolatos problémákat, például a dendrit növekedést.

Azonban a Li2S nagyon gyenge elektronikus vezetőképességgel, poliszulfid oldódással és shuttle hatással jár, ami alacsony S-felhasználást, alacsony Coulombic-hatékonyságot és gyors lebomlást okoz a kerékpározás során.

E kérdések kezelésére a Berkeley kutatói Li2S/GO nanoszférákat alkalmaztak konform szénnel a felületen (Li2S/GO @ C). Anyaguk számos előnnyel jár:

A konform szénbevonat nemcsak megtiltja a poliszulfid oldódását az elektrolitban azáltal, hogy megakadályozza a Li2S és a folyékony elektrolit közötti közvetlen érintkezést, hanem elektromos útként is működik, ami csökkenti az elektróda ellenállását.

A szubmikron méretű részecskék gömb alakja rövid szilárd állapotú Li diffúziós utat és a szénhéj szerkezeti stabilitását biztosíthatja a kerékpározás során.

Üres hely keletkezik a szénhéjban töltés közben, és elegendő helyet biztosít a térfogatnövekedés befogadásához akár 80% -ig a kibocsátás során. Ennek eredményeként a szénhéj jobb szerkezeti stabilitása biztosítható, mivel a szénhéjnak nem kell tágulnia a kerékpározás során.

Még ha a szénhéjak bizonyos százaléka is elromlik a fizikai tökéletlenségek miatt, a részecskékben lévő GO az S immobilizáló jellege miatt a poliszulfid oldódásának második gátlója lehet.

Az elektródák kerékpáros teljesítménye különböző sebességgel változott. Hitel: ACS, Hwa et al. kattints a kinagyításhoz.

A Li2S/GO @ C nanoszféra katód ígéretes elektrokémiai teljesítményt mutatott:

Hosszabb élettartam (1500 ciklus) 2,0 C kisütési sebességnél (1,0 C = 1,163 A g -1 Li2S), magas kezdeti kapacitással, 650 mA · hg −1 Li2S-rel (ami 942 mA · hg −1 S-nek felel meg) ) és 699 mA · hg -1 Li 2S (1012 mA · hg -1 S) 0,05 C-on 400 ciklus után, 2,0 C-os kisülés mellett; és

kiváló kapacitásmegtartás, több mint 84%, magas Coulombic-hatékonysággal, akár 99,7% -ig 150 ciklus után, különféle kisütési C-sebességekkel (2,0, 3,0, 4,0 és 6,0 C kisütési sebesség).