20.04.2020 - Dalian Institute of Chemical Physics

Hochleistungs-Lithium-Schwefel-Batterien entwickelt

Mesoporöser Kohlenstoff-Nanoreaktor als Lithium-Schwefel-Batteriekathode für hohe katalytische Aktivität und hohe Schwefelbeladung

Kürzlich haben Forschungsgruppen unter der Leitung von Prof. LIU Jian und Prof. WU Zhongshuai vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Fe1-xS-dekorierte mesoporöse Kohlenstoffkugeln als Nanoreaktor entwickelt, die als Kathode für Lithium-Schwefel-Batterien eingesetzt werden können. Der Nanoreaktor zeigte eine ausgezeichnete katalytische Polysulfidaktivität und zyklische Stabilität. Die Studie wurde in Advanced Energy Materials veröffentlicht.

Lithium-Schwefel-Batterien haben eine hohe theoretische Energiedichte von 2600 Wh kg-1 und eine theoretische Kapazität von 1675 mAh g-1. Sie sind als Hochenergie-Batterie vielversprechend.

Die langsame Konversionsreaktionsdynamik von Schwefel beim Be- und Entladevorgang führt jedoch zu einer niedrigen Schwefelausnutzungsrate und einem gravierenden Shuttle-Effekt. Dies führt außerdem zu einer geringen Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien.

Daher wird ein vernünftig konzipiertes elektrokatalytisches System gewünscht, so dass die katalytische Umwandlung von Polysulfid unter hoher Schwefelbelastung effizient und stabil durchgeführt werden kann, was zu einer hohen zyklischen Stabilität der Lithium-Schwefel-Batterie führt.

In der aktuellen Studie entwarfen die Forscher einen mesoporösen Kohlenstoff-Nanoreaktor, der mit hochdispersen Fe1-xS-Elektrokatalysator-Nanopartikeln (Fe1-xS-NC) dekoriert war, und setzten ihn als Lithium-Schwefel-Batteriekathode für hohe katalytische Aktivität und hohe Schwefelbeladung ein.

Der Nanoreaktor zeichnet sich durch eine geringe Massendichte, hohe Porosität und einen hoch dispergierten Elektrokatalysator aus, der die Adsorptions- und katalytische Umwandlungskapazität von Polysulfiden deutlich verbessert.

Die Forscher fanden heraus, dass von einem Anfangswert von 1070 mAh g-1 nach 200 Zyklen und unter einer Stromdichte von 0,5 C praktisch kein Kapazitätsabfall von Fe1-xS-NC auftrat.

"Die Designstrategie für Nanoreaktoren bietet ein neues Protokoll für den Bau von wiederaufladbaren Batterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer", sagte Prof. LIU. "Sie wird auch einen Weg für den Entwurf sichererer und energiedichterer Li-Metall-Batterien eröffnen", fügte Prof. WU hinzu.

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