Průlom v bateriích: Nové grafenové rozhraní umožňuje lithium-sírovým článkům fungovat přes 1000 cyklů

Vědci vyvinuli molekulárně navrženou mezivrstvu, která řeší jednu z největších překážek komerčního využití lithium-sírových baterií.

Vědci vyvinuli molekulárně navrženou mezivrstvu, která řeší jednu z největších překážek komerčního využití lithium-sírových baterií. Díky tomuto objevu si články udržují kapacitu po více než 1000 cyklech nabíjení a vybíjení a zároveň poskytují vysokou energetickou hustotu.

Tým vedený výzkumníky z Tohoku University a spolupracujících institucí vytvořil rozhraní z kovalentního organického rámce (COF) a grafenu. Toto rozhraní zabraňuje nežádoucí migraci lithium-polysulfidů uvnitř baterie, známé jako „polysulfidový zkratový efekt“. Tento jev dlouhodobě snižoval životnost a účinnost lithium-sírových baterií. Lithium-sírové baterie jsou přitom považovány za slibnou alternativu k dnešní lithium-iontové technologii, protože síra je hojná, levná a schopná uložit mnohem více energie. Rozpuštěné lithium-polysulfidy, které se tvoří během nabíjení a vybíjení, však mohou migrovat mezi elektrodami baterie, spouštět vedlejší reakce a způsobovat rychlou ztrátu kapacity.

Místo spoléhání se na fyzickou bariéru navrhli vědci mezivrstvu, která polysulfidy chemicky zachycuje a zároveň jim pomáhá nadále se účastnit elektrochemických reakcí baterie. Nový materiál, nazvaný TUS-44, je tetrathiafulvalen-krown-ether kovalentní organický rámec kombinovaný s vodivým grafenem. Společně tvoří lehkou funkční vrstvu, která polysulfidy jak zachycuje, tak urychluje transport elektronů. COF obsahuje iminový dusík, krown-etherový kyslík a místa bohatá na síru (tetrathiafulvalen), které interagují s lithium-polysulfidy. Grafen pak poskytuje vodivou dráhu, která zlepšuje přenos náboje a podporuje přeměnu síry během provozu baterie.

V laboratorních testech dosáhly lithium-sírové články vybavené mezivrstvou TUS-44@G reverzibilní kapacity 1 455,7 mAh g⁻¹ při 0,2 A g⁻¹ a udržely si 773 mAh g⁻¹ i při vysoké proudové hustotě 10 A g⁻¹. Baterie také zaznamenaly pokles kapacity pouhých 0,034 % na cyklus po dobu 1 000 cyklů při 5 A g⁻¹. Výzkumníci také sestavili lithium-sírový pouzdrový článek s touto mezivrstvou, který dosáhl počáteční energetické hustoty přibližně 674 Wh kg⁻¹. To podtrhuje potenciál materiálu pro praktické aplikace vysokokapacitních baterií.

„Naším cílem bylo navrhnout mezivrstvu, která polysulfidy nejen blokuje, ale aktivně řídí jejich reakční dráhu,“ vysvětlil Saikat Das, docent z Institutu multidisciplinárního výzkumu pokročilých materiálů na Tohoku University. „Integrací chemie krown-etheru a tetrathiafulvalenu do uspořádaného COF a jeho spojením s grafenem jsme vytvořili kooperativní rozhraní, které dokáže účinněji ukotvit, přerozdělit a přeměnit sírové sloučeniny.“ Na rozdíl od konvenčních porézních uhlíkových materiálů, které s polysulfidy interagují slabě, lze kovalentní organické rámce navrhnout s přesnými strukturami pórů a chemickými funkcemi. To jim umožňuje zachycovat lithium-polysulfidy a současně podporovat transport elektronů a přeměnu síry. „Tato studie ukazuje, že retikulární chemie může být použita k programování bateriových rozhraní na molekulární úrovni,“ dodal profesor Yuichi Negishi z Tohoku University. „Design TUS-44@G nabízí cestu k lehkým, odolným a vysokorychlostním Li-S bateriím sjednocením imobilizace polysulfidů s katalytickou přeměnou síry.“ Studie byla publikována v časopise Small.