Для решения вышеуказанных проблем были предприняты усилия по созданию катодов серы на основе нанопроволочных структур.
Учитывая низкую проводимость серы и разрядное производство Li2S, в Li-S батареях наиболее широко применялись углеродные материалы и проводящие полимеры.
Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT) являются хорошим выбором для синтеза 1D серного композита. Сера равномерно покрывалась на поверхности модифицированных MWCNT методом обмена растворителями для формирования типичной наноразмерной структуры сердечник-оболочка с серным слоем толщиной 10-20 нм. Наноструктура S/MWCNT может укорачивать путь переноса электронов и ионов, что приводит к высокой кинетике границы раздела и реакционной активности. Но такая архитектура структуры не может эффективно уменьшить растворение полисульфидов. Пропитанные серой неупорядоченные углеродные нанотрубки (SDCNT) были изготовлены компанией Guo.
SDCNT были подвергнуты высокотемпературной термической обработке в вакуумной среде, и термическая обработка может разрушить молекулу S8 до S6 или S2 и обеспечить соединение S-C таким образом, что обычная реакция Li-S8 с растворимыми промежуточными продуктами полисульфидов может быть ограничена. Чжэн и др. использовали 1D углеродные наноструктуры в качестве держателя серы.
Полые углеродные нановолокна с высоким аспектным соотношением эффективны для улавливания серы. Такая структура обеспечивает укороченные проводящие пути как для электронного, так и для ионного транспорта, что способствует более высокой кинетике реакции.
Одномерная углеродная стенка представляла собой закрытую структуру для удержания полисульфидов. Электрохимические испытания показали, что этот тип катода серы с около 75% серной загрузкой обеспечивает начальную мощность около 1400 мАч g-1, сохраняя обратимую мощность около 730 мАч g-1 после 150 циклов. Сообщалось, что самособранные полианилиновые нанотрубки (PANI-NT) инкапсулируют серу мягким способом.
Часть S вступила в реакцию с PANI, образуя связи S-C, образующие взаимосвязанную структуру. Эта структура обеспечила сильное физическое и химическое ограничение молекулы S и резидентного полисульфида. По сравнению с наноразмерной инкапсуляцией пористым углеродом, она также обеспечивает молекулярный уровень гибкой капсулы, содержащей соединения серы. Исходная емкость S-PANI-NT составляла 755 мАч g-1 при 0,1 C, но в последующие несколько циклов емкость увеличивалась. Это можно объяснить низкой площадью поверхности композита, которая изначально не позволяла электролиту проникать в полную структуру.
Литий-воздушная батарея состоит из Li анода - катода с каталитической активностью и неводного апротического электролита, в процессе разряда O2 входит в пористый катод, растворяется в электролите в пределах пор и восстанавливается до перекисного иона на поверхности электрода при разряде образует Li2O2 в качестве продукта разряда вместе с Li+ из электролита, который является так называемой реакцией восстановления кислорода (ORR).
Затем Li2O2 разлагается на заряде, который является так называемой реакцией эволюции кислорода (OER).
Поскольку электрохимически активный катодный материал - кислород - поглощается из окружающей среды каталитическими реакторами на воздушном электроде, а не хранится в батарее, то литий-воздушная батарея может обеспечить высокую плотность энергии. Однако, чтобы сделать литий-ионно-воздушную батарею по-настоящему перезаряжаемой, необходимо решить еще много важных вопросов:
- плохая перезаряжаемость и низкие скоростные характеристики приводят к очень высокому избыточному потенциалу между зарядом и разрядом
- осаждение продуктов реакции на электрод катализатора в конечном итоге блокирует кислородный путь и ограничивает емкость и циклические характеристики литийвойсодержащих батарей
- удаление побочных продуктов, Li2CO3 или карбоксилатов лития, связанных с разложением электролита.
Поэтому важно разработать электрод, способный обеспечить непрерывные каналы переноса как для кислорода, так и для электрона, дополнительно понижая избыточные потенциалы.
Нанопровода являются хорошим выбором для повышения каталитических и циклических свойств в литийво-воздушных батареях в соответствии с интенсивными исследованиями, такими как СНТ, нанопровода MnO2, мезопористые нанопровода La0.5Sr0.5CoO2.91, пористые нанотрубки La0.5Sr0.5MnO3 и др.
Продолжение следует...