Литий-серные (Li-S) аккумуляторы представляют собой многообещающую альтернативу литий-ионным (LiB), наиболее распространенным технологиям аккумуляторов. Поскольку сера обильно присутствует на Земле, эти аккумуляторы могут быть дешевле и более экологически безопасными, а также обладать более высокой энергетической плотностью.
Несмотря на эти преимущества, внедрение Li-S аккумуляторов до сих пор ограничено, так как у многих из них низкий цикл жизни и высокая скорость саморазряда. Кроме того, предполагаемая высокая энергетическая плотность Li-S аккумуляторов часто снижается в реальных условиях использования из-за высоких скоростей зарядки и разрядки.
Химическая реакция, играющая ключевую роль в обеспечении высокой емкости Li-S аккумуляторов, называется реакцией снижения серы (SRR). Эта реакция широко изучается, однако ее кинетические закономерности при высоких токах до сих пор плохо понимаются. Исследователи из Университета Аделаиды, Тяньцзиньского университета и Австралийского синхротрона недавно провели исследование, целью которого было определение кинетической тенденции SRR для развития высокоэнергетических Li-S аккумуляторов высокой мощности.
Их статья, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, также представляет нанокомпозитный углеродный электрокатализатор, который повышает производительность Li-S аккумуляторов, обеспечивая сохранение емкости разряда около 75%.
"Активность электрокатализаторов для реакции снижения серы (SRR) может быть представлена в виде вулканических графиков, которые описывают определенные термодинамические тенденции", - пишут Хуан Ли, Ронгвей Мэн и их коллеги в своей статье. "Однако кинетическая тенденция, описывающая SRR при высоких токах, пока неизвестна, что ограничивает наше понимание кинетических вариаций и затрудняет разработку Li-S аккумуляторов высокой мощности. Используя принцип Ле Шателье в качестве руководства, мы устанавливаем кинетическую тенденцию SRR, связывающую концентрации полисульфидов с кинетическими токами"
Чтобы дополнительно изучить кинетическую тенденцию SRR при высоких токах, исследователи также собрали данные синхротронной рентгеновской адсорбционной спектроскопии и провели различные вычисления молекулярных орбиталей. В целом их результаты показывают, что заполнение орбит в катализаторах на основе переходных металлов связано с концентрацией полисульфида в батареях и, следовательно, с кинетическими предсказаниями SRR.
Основываясь на описанной ими кинетической тенденции, Ли, Мэн и их коллеги разработали новый нанокомпозитный электрокатализатор, состоящий из материала на основе углерода и кластеров CoZn. Затем они интегрировали этот катализатор в Li-S-батарейный элемент и протестировали его работу, сосредоточив внимание на скорости заряда-разряда.
В целом, недавнее исследование Ли, Менга и их коллег показывает, что повышенные концентрации полисульфида способствуют более быстрой кинетике SRR; таким образом, катализаторы, повышающие концентрацию полисульфида, могут ускорить эту реакцию. Этот результат был подтвержден как теоретическими расчетами, так и экспериментальными измерениями.
Источник:
Хуан Ли и др., Разработка мощных Li-S батарей с помощью электрокатализаторов на основе переходных металлов и углеродных нанокомпозитов (Huan Li et al, Developing high-power Li-S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering), Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01614-4
-------------------------------------
Вы можете поддержать проект подпиской на канал, реакциями и комментариями, а также подписавшись на наши страницы на других площадках и на сервисе поддержки авторов Бусти. Ссылки найдёте в описании канала. Заранее спасибо!
