Verbetering van lithium-zwavelbatterijen met metaal-organische raamwerkgebaseerde materialen

De huidige lithium-ionbatterijtechnologie heeft niet de energiedichtheid die nodig is om aan de vraag naar hernieuwbare energie te voldoen. In theorie zouden lithium-zwavelbatterijen een haalbaar alternatief kunnen zijn met een hogere specifieke capaciteit en energiedichtheid. Zwavel heeft echter nadelen die momenteel de praktische toepassing ervan beperken.

Een uitgebreide recensie gepubliceerd in Nano-onderzoek schetst hoe op metaal-organische raamwerken gebaseerde kathodematerialen de prestaties van lithium-zwavelbatterijen zouden kunnen verbeteren, waardoor ze een praktisch alternatief voor lithium-ionbatterijen zouden worden.

“De toepassing van krachtige lithium-zwavelbatterijen wordt nog steeds belemmerd door een aantal grote problemen, wat leidt tot onaanvaardbare praktische capaciteit en fietsstabiliteit”, zegt Weihua Chen, onderzoeker aan de Zhengzhou Universiteit.

“Ten eerste verhogen de slechte elektrische geleidbaarheid van zwavel en die van de ontladende producten de interne weerstand van de batterijen aanzienlijk, waardoor de gebruiksefficiëntie van de actieve materialen wordt beperkt. Ook veroorzaakt ernstige volumetrische expansie van zwavelkathodes na het lithieringsproces de structurele verpulvering van elektroden. “

Met deze beperkingen brengen lithium-zwavelbatterijen veiligheidsproblemen met zich mee, evenals prestatieproblemen, die momenteel een brede acceptatie ervan in de weg staan.

Geavanceerde zwavelkathodes gemaakt van metaal-organische raamwerken zouden de oplossing kunnen zijn. Metaal-organische raamwerken bestaan ​​doorgaans uit een metaalion/cluster en hebben unieke eigenschappen zoals hoge porositeit, aanpasbare poriegrootte en regelbare poriestructuur.

Ongerepte metaal-organische raamwerken zijn nog niet toegepast in lithium-zwavelbatterijen vanwege de slechte elektrische geleidbaarheid en onvoldoende structurele stabiliteit; Recente onderzoeken hebben echter aangetoond hoe metaal-organische raamwerken kunnen worden gecombineerd met geleidend materiaal, zoals grafeen, koolstofnanobuisjes en sommige polymeren.

“Vanwege de poreuze microstructuur, het ultragrote toegankelijke specifieke oppervlak en de instelbare functiegroep hebben metaal-organische raamwerkgebaseerde materialen de aandacht van onderzoekers gekregen als potentiële kathodegastheren voor lithium-zwavelbatterijen en hebben ze aanzienlijke vooruitgang geboekt. metaal-organische raamwerkgerelateerde materialen zouden de oplossing en diffusie van polysulfide in de elektrolyten effectief kunnen beperken”, aldus Chen.

In dit overzicht van gepubliceerde artikelen werd gekeken naar ongerepte metaal-organische raamwerken, verschillende metaal-organische raamwerkcomposieten en metaal-organische raamwerkderivaten. Deze ongewijzigde anorganische metalen en organische componenten hebben kristallografische structuren en zijn veelbelovend in het opslaan van de actieve zwavel. De meeste hebben echter niet de geleidbaarheid die nodig is voor een effectieve werking van de batterij.

Metaal-organische raamwerkcomposieten verbeteren de eigenschappen van metaal-organische raamwerken, verbeteren de geleidbaarheid en versterken de structurele stabiliteit. Grafeen, koolstofnanobuisjes en geleidende polymeren zijn allemaal haalbare opties om de beperkingen van ongerepte metaal-organische raamwerken te verbeteren. Een ander alternatief zijn materialen die zijn afgeleid van metaal-organische raamwerken of metaal-organische raamwerkderivaten.

Van metaal-organische raamwerken afgeleide koolstofmaterialen kunnen bijvoorbeeld elektronen- en ionenoverdrachten vergemakkelijken en de volume-expansieproblemen oplossen die worden aangetroffen in de zwavelkathodes, maar kunnen de structuur van het metaal-organische raamwerk in gevaar brengen. Er wordt onderzoek gedaan naar de manier waarop deze verschillende materialen kunnen worden verbeterd en het beste kunnen worden gebruikt in lithium-zwavelbatterijen.

Vooruitkijkend blijven onderzoekers onderzoeken hoe op metaal-organische raamwerken gebaseerde materialen en hun unieke eigenschappen de prestaties van lithium-zwavelbatterijen kunnen verbeteren.

“Metaal-organische raamwerkgerelateerde materialen komen naar voren als veelbelovende zwavelkathodematerialen voor lithium-zwavelbatterijen. Ondanks aanzienlijke vooruitgang in de afgelopen jaren zijn er nog steeds uitdagingen die moeten worden overwonnen voor de commercialisering van lithium-zwavelbatterijen. Het zal tijd en moeite kosten om praktische toepassing van metaal-organische raamwerkgerelateerde materialen in lithium-zwavelbatterijen bereiken, maar deze evaluatie zou nuttige richtlijnen kunnen bieden voor de toekomstige ontwikkeling van deze materialen, “zei Chen.