Las baterías de alta densidad de energía son esenciales para satisfacer la demanda de futuras aplicaciones en electrónica portátil y vehículos eléctricos. Debido a la densidad de energía teórica de 2600 Wh / kg, la batería de litio-azufre se considera un candidato prometedor para la próxima generación, soluciones de baterías de alta energía. Sin embargo, las deficiencias en la rápida degradación de la capacidad y la baja eficiencia de los ciclos no se han resuelto, lo que dificulta la aplicación práctica del sistema de batería de azufre de litio. Un investigador de la Universidad de Tsinghua propuso un sistema separador de capas ternarias para baterías de litio-azufre con una larga vida útil. alta eficiencia culómbica, y alta utilización de azufre.
"Una nueva generación de baterías recargables de litio-azufre se basa en la química redox de transferencia de electrones múltiples, ", dijo el Dr. Qiang Zhang de la Universidad de Tsinghua a Phys.Org." Excepto por la alta densidad de energía, Las baterías de litio-azufre tienen ventajas sobre las baterías de iones de litio de rutina, como el material de cátodo barato y el rendimiento operativo a baja temperatura ".
A pesar de la ventaja de los sistemas de azufre de litio, existe un efecto lanzadera inherente de los intermedios polisulfuro en una celda de litio-azufre. "Estos efectos de lanzadera causan la baja eficiencia de Coulombic e inducen la degradación de la capacidad a través del consumo de azufre activo y la reacción química interna, "dijo el Dr. Jia-Qi Huang, profesor asociado en la Universidad de Tsinghua.
Este grupo de investigación ha realizado grandes esfuerzos hacia un separador selectivo de iones para celdas de litio-azufre. Basado en el confinamiento físico y la repulsión electrostática, Los investigadores cubrieron la superficie de los separadores de polímeros de rutina con nanohojas ultrafinas de óxido de grafeno (GO) y luego colocaron una fina capa de Nafion sobre ellas. "En la estructura del separador de capas ternarias, El separador de polipropileno macroporoso sirve como capa de matriz y proporciona resistencia mecánica al separador. Las láminas GO formaron una capa con pequeños canales para el transporte de iones de litio y sirvieron como una capa de barrera compacta con grupos funcionales oxigenados para anclar Nafion. De este modo, podemos reducir significativamente la carga de área de la capa retardadora de Nafion y mantener la permselectividad de los iones de litio frente a los aniones de polisulfuro. Tanto la repulsión electrostática como el efecto selectivo de tamaño son efectivos con esta estrategia ", dijo Ting-Zhou Zhuang, candidato a máster en el grupo de investigación.
En total, la capa de carga funcional en el separador de rutina es solo 0.053 mg cm -2 . Cuando el separador ternario se incorpora a baterías de litio-azufre, la capacidad de descarga se mejoró de 969 a 1057 mAh g -1 ; la eficiencia de Coulombic aumentó de 80 a 95% sin el aditivo LiNO3; la tasa de descomposición se redujo del 0,34% al 0,18% en 200 ciclos; y se inhibió la autodescarga. La utilización de azufre alcanzó el 73% con una alta cantidad de carga de azufre de 4.0 mg cm -2 .
"Se ha demostrado que la modificación de la membrana es un método eficaz para las baterías de litio-azufre. La estructura de la membrana ternaria hace el mejor uso de cada componente básico, y el separador de material compuesto de varias capas es más eficaz que un separador de una sola capa. Esta estrategia abre nuevas oportunidades en el desarrollo de separadores multifuncionales hacia mejores baterías ", dijo Qiang Zhang.
Se diseñó racionalmente un separador ternario de prueba de concepto de una capa de PP / GO / Nafón, fabricado y se aplica en baterías Li-S con una mejor utilización de azufre, eficiencia culómbica, y larga vida útil. Este trabajo ofrece un concepto de sistema ternario, en el que la combinación racional de bloques de construcción en estructuras jerárquicas era indispensable para demostrar plenamente sus roles en el sistema ternario con funciones múltiples y aplicaciones múltiples.
