Afstemming van lokale coördinatie van katalysatoren voor betere lithium-zwavelbatterijen

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zhu Qingshan van het Institute of Process Engineering (IPE) van de Chinese Academie van Wetenschappen onderzocht de overgang van de elektronische structuur van NiAs- naar MnP-type CoP_XS_1-x verbindingen en hoe de overgang de katalytische activiteit van polysulfide-omzettingsreacties in lithium-zwavelbatterijen beïnvloedt.

De studie is gepubliceerd in ACS Nano op 30 januari.

Lithium-zwavelbatterijen zijn veelbelovende energieopslagsystemen vanwege hun hoge theoretische capaciteit en specifieke energie. Polysulfide-shuttling leidt echter tot het verval van batterijen, waardoor hun praktische toepassingen worden beperkt.

Katalysatoren kunnen de omzetting van polysulfiden versnellen en het pendelen relatief onderdrukken, wat dient als de effectieve aanpak om de recycleerbaarheid van Li-S-batterijen te verbeteren. Het gebrek aan begrip van het katalytische mechanisme en de oorsprong vormt een obstakel voor het ontwerp van Li-S-katalysatoren.

“Vergeleken met NiAs verschuiven kationen in verbindingen van het MnP-type langs het vlak verticaal naar de c-as, wat leidt tot de kortere afstand tussen de middelpunten van veelvlakken met twee randen en het verbeteren van de metaal-metaalbinding”, zegt Zhang Huigang, een hoofdonderzoeker bij IPE. Hun elektronische structuren veranderden met de gecoördineerde veelvlakken. De resulterende op- of terugschakeling van d-band zou de binding van katalysatoren en polysulfiden bepalen.

“Door de coördinatiestructuur van actieve centra af te stemmen en de d-orbitalen te optimaliseren, kunnen we katalysatoren rationeler ontwerpen”, zei prof. Zhu.

Op basis van de overgang dopteerden de onderzoekers CoP met zwavel en vervormden ze de [CoP₆] veelvlakken om de kationcentra te verschuiven. Hierdoor is de d_z² orbitaal naar beneden verschoven en de d_xz/D_yz orbitaal omhoog bewogen, waardoor de binding met polysulfiden werd verbeterd.

Om praktische toepassingen van Li-S-batterijen met een hoge belasting te realiseren, elektrosponnen ze CoP_XS_1-x in poreuze koolstofnanovezels, die kettingachtige nanoreactoren vormen, die de polysulfide-omzettingsreactie insluiten en effectief katalyseren.

“Het ontwerp van de katalysator en de constructie van nanovezels maken een uitstekende herbruikbaarheid van Li-S-batterijen met een hoge belasting mogelijk”, aldus Zhang.