Современная технология литий-ионных аккумуляторов не обладает плотностью энергии, необходимой для удовлетворения потребностей в возобновляемой энергии. Теоретически литий-серные батареи могут стать жизнеспособной альтернативой с более высокой удельной емкостью и плотностью энергии. Однако сера имеет недостатки, которые в настоящее время ограничивают ее практическое применение.
В комплексном обзоре, опубликованном в журнале Nano Research, показано, как катодные материалы на основе металлорганического каркаса могут улучшить производительность литий-серных батарей , делая их практической альтернативой литий-ионным батареям.
«Применению высокопроизводительных литий-серных батарей по-прежнему препятствуют некоторые серьезные проблемы, приводящие к неприемлемой практической емкости и циклической стабильности», — сказал Вейхуа Чен, исследователь из Университета Чжэнчжоу.
«Во-первых, плохая электропроводность серы и продуктов разряда значительно увеличивает внутреннее сопротивление батарей, ограничивая эффективность использования активных материалов. Кроме того, сильное объемное расширение серных катодов после процесса литиирования приводит к структурному измельчению электродов. »
Учитывая эти ограничения, литий-серные батареи создают проблемы с безопасностью, а также проблемы с производительностью, которые в настоящее время препятствуют их широкому внедрению.
Решением могли бы стать усовершенствованные серные катоды, изготовленные из металлоорганических каркасов . Металлоорганические каркасы обычно состоят из ионов/кластеров металлов и обладают уникальными свойствами, такими как высокая пористость, регулируемый размер пор и контролируемая структура пор.
Первичные металлоорганические каркасы еще не используются в литий-серных батареях из-за плохой электропроводности и недостаточной структурной стабильности; однако недавние исследования показали, как металлоорганические каркасы можно сочетать с проводящими материалами , такими как графен, углеродные нанотрубки и некоторые полимеры.
«Из-за пористой микроструктуры, сверхбольшой доступной удельной площади поверхности и регулируемой функциональной группы материалы на основе металлорганического каркаса привлекли внимание исследователей как потенциальные катодные хозяева для литий-серных батарей и добились значительного прогресса. В частности, Материалы, связанные с металлоорганическим каркасом, могут эффективно сдерживать растворение и диффузию полисульфида в электролитах», — сказал Чен.
В этом обзоре опубликованных статей были рассмотрены первичные металлоорганические каркасы, различные металлоорганические композиты каркасов и производные металлорганических каркасов. Эти неизмененные неорганические металлические и органические компоненты имеют кристаллографическую структуру и обещают хранить активную серу. Однако большинство из них не обладают проводимостью, необходимой для эффективной работы аккумуляторов.
Металлоорганические каркасные композиты улучшают свойства металлоорганических каркасов, улучшая проводимость и усиливая структурную стабильность. Графен, углеродные нанотрубки и проводящие полимеры — все это возможные варианты устранения ограничений первозданного металлоорганического каркаса. Другой альтернативой являются материалы, полученные из металлоорганических каркасов или производных металлорганических каркасов.
Например, углеродные материалы, полученные из металлоорганического каркаса, могут облегчить перенос электронов и ионов и решить проблемы объемного расширения, обнаруженные в серных катодах, но могут поставить под угрозу структуру металлоорганического каркаса. Продолжаются исследования того, как эти различные материалы можно улучшить и лучше всего использовать в литий-серных батареях.
Заглядывая в будущее, исследователи продолжают изучать, как материалы на основе металлорганического каркаса и их уникальные свойства могут улучшить производительность литий-серных батарей.
«Материалы на основе металлорганического каркаса становятся многообещающими серными катодными материалами для литий-серных батарей. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы, все еще существуют проблемы, которые необходимо преодолеть для коммерциализации литий-серных батарей. Потребуются время и усилия, чтобы добиться практического применения материалов, связанных с металлоорганическим каркасом, в литий-серных батареях, но этот обзор может стать полезным руководством для будущей разработки этих материалов», — сказал Чен.