HZB, Prof. Yan Lu ve Berlin Teknik Üniversitesi Prof. Arne Thomas liderliğindeki bir ekip, lityum-sülfür pillerin kapasitesini ve istikrarını artıran bir materyal geliştirdi. Malzeme, açık gözeneklere sahip bir çerçeve oluşturan polimerlere dayanmaktadır (radikal katyonik kovalent organik çerçeveler veya COF’ler olarak bilinir). Katalitik olarak hızlandırılmış reaksiyonlar bu gözeneklerde gerçekleşir, pil ömrünü kısaltacak polisülfürleri sıkıca hapseder.
Deneysel analizlerin bazıları Bessy II’deki bamline’da gerçekleştirildi. Araştırma şurada yayınlandı Amerikan Kimya Derneği Dergisi.
Organik polimerlerden yapılmış kristal çerçeve yapıları özellikle ilginç bir malzeme sınıfıdır. Bir süngerle karşılaştırılabilir, ancak en fazla sadece birkaç mikrometreyi ölçen gözeneklerle yüksek gözeneklilikleri ile karakterizedir. Bu malzemeler, elektrokimyasal enerji depolama cihazlarındaki belirli uygulamalar için ilginç hale getiren özel işlevler sergileyebilir.
Örneğin, lityum-sülfür pillerin elektrotlarındaki polisülfitler gibi kükürt bileşikleri için “konakçı” olarak hareket edebilirler. Fikir, polisülfitlerin COF yapılarındaki gözeneklerin iç yüzeylerine bağlanabileceği ve tekrar elemental kükürt üretmek için oraya tepki verebileceğidir. Ancak, bu henüz düzgün çalışmadı.
Yeni geliştirilen COF
Ekip, tetrathiafulvalen birimlerinden ((TTF) oluşan yeni malzeme ile büyük bir ilerleme gösterdi.2•+) ve trisülfid radikal anyonlar (S3•-) Benzothiazol (R-TTF•+-COF
Prof. Lu, “Eşleştirilmemiş elektronlar COF’lerin mikro/mezoplarında önemli bir rol oynuyor.” “Katmanlar arasında yük transferini kolaylaştıran ve böylece katalitik özellikleri iyileştiren delokalize π orbitallerine katkıda bulunurlar.”
Deneylerin kombinasyonu
Oldukça karmaşık çalışmada, ekip radikal motiflerin kükürt azaltma reaksiyonlarını katalize etmede merkezi rolünü açıklamıştır.
Çalışma için araştırmacılar, katı hal nükleer manyetik rezonans (SSNMR) spektroskopisi, elektron spin rezonansı (EPR) spektroskopisi kullanılarak Li-S pil hücrelerindeki COF malzemelerini araştırdılar ve ayrıca daha hassas bir şekilde gözenekleri karakterize etmek için Bessy II’deki bamline in situ X-ışını tomografisi gerçekleştirdiler. Bu deneysel sonuçları sonuçları yorumlamak için teorik hesaplamalarla birleştirdiler.
“Bu, radikal katyonların (TTF) olduğunu göstermemizi sağladı.2•+ Prof. Lu’nun ekibinde doktora öğrencisi Sijia Cao, dudakları bağlayan ve S – S bağlarının uzamasını ve bölünmesini kolaylaştıran katalitik merkezler olarak hareket ediyor.
Önemli gelişme
Sonuç şaşırtıcı: Li-S pilin performansı, yeni R-TTF’nin kullanımı ile önemli ölçüde gelişiyor•+-Cof malzeme. Li-S pillerinin servis ömrü, döngü başına sadece% 0.027 kapasite kaybı olan 1.500 döngüden üzerine yükselir. Li-S pillerinin bu dayanıklılığı henüz COF malzemeleri veya diğer tamamen organik katalizörlerle elde edilmemiştir. Tipik olarak, son birkaç yılın raporlarına göre LI-S pilleri 1.000’den az döngü sergiliyor.
Prof. Lu, “Bu tür radikal yapı iskelesi yapılarını lityum-sülfür pillere entegre etmek büyük bir umut vaat ediyor” diyor. Ayrıca, daha fazla optimizasyon için çok çeşitli olasılıklar vardır. İskele ve katalitik aktivitenin elektronik özellikleri, hangi moleküllerin radikal olarak kullanıldığına bağlı olarak değişir. Bununla birlikte, kükürt azaltma reaksiyonlarını katalize etmek için özel olarak uyarlanmış stabil radikal yapı taşlarına sahip COF’lere daha fazla araştırmaya ihtiyaç vardır.
