Lityum-kükürt Pilde Bor Bazlı Malzeme

Lityum-kükürt Pilinde Bor Bazlı Malzemelerin Son Gelişmeleri

Yazar:LI Gaoran, LI Hongyang, ZENG Haibo

MIIT Gelişmiş Görüntüleme Malzemeleri ve Cihazları Anahtar Laboratuvarı, Nano Optoelektronik Malzemeler Enstitüsü, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Okulu, Nanjing Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Nanjing 210094

Soyut

Lityum-kükürt (Li-S) piller, yüksek enerji yoğunluğu ve düşük maliyeti nedeniyle yeni nesil elektrokimyasal enerji depolama teknolojisinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, pratik uygulamaları, nispeten düşük pratik kapasiteye, Coulomb verimsizliğine ve döngüsel kararsızlığa katkıda bulunan dönüşüm reaksiyonlarının yavaş kinetiği ve düşük tersine çevrilebilirliği nedeniyle hala engellenmektedir. Bu bağlamda iletken, adsorptif ve katalitik fonksiyonel malzemelerin rasyonel tasarımı, kükürt elektrokimyasını stabilize etmek ve geliştirmek için kritik bir yol sunar. Borun benzersiz atomik ve elektronik yapılarından yararlanan bor bazlı malzemeler, çok çeşitli ve ayarlanabilir fiziksel, kimyasal ve elektrokimyasal özellikler sergiler ve Li-S pillerinde kapsamlı araştırmalara konu olur. Bu makale, Li-S pillerdeki borofen, bor atomu katkılı karbon, metal borürler ve metal olmayan borürler dahil olmak üzere bor bazlı malzemelere ilişkin son araştırma ilerlemelerini gözden geçirmekte, kalan sorunları sonuçlandırmakta ve geleceğe yönelik gelişme perspektifini önermektedir.

Anahtar Kelimeler:lityum-kükürt pili, borür, kimyasal doping, borofen, mekik etkisi, inceleme

Günümüz dünyasında enerji krizi ve iklim değişikliğiyle mücadelede yeşil yenilenebilir enerjinin geliştirilmesi, ileri enerji dönüşümü ve depolama yöntemlerinin geliştirilmesi, verimli ve temiz bir enerji sisteminin kurulması kaçınılmaz tercihlerdir. Pillerle temsil edilen elektrokimyasal enerji depolama teknolojisi, yeni temiz enerjiyi dönüştürüp depolayabilir ve onu daha verimli ve kullanışlı bir biçimde kullanabilir, yeşil enerji ekonomisini ve sürdürülebilir kalkınmayı teşvik etmede önemli bir rol oynayabilir [1,2]. Birçok pil teknolojisi arasında lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunluğu ve hafıza etkisinin olmaması gibi avantajlara sahiptir. Ticarileştiği 1991 yılından bu yana hızlı bir gelişme göstererek elektrikli araçlarda, taşınabilir elektronik cihazlarda, milli savunmada ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır [3,4]. Ancak elektrikli ekipmanların sürekli gelişmesiyle birlikte geleneksel lityum iyon piller artan enerji talebini karşılayamıyor. Bu arka plana karşı, lityum-kükürt piller, yüksek teorik özgül kapasiteleri (1675 mAh·g-1) ve enerji yoğunlukları (2600 Wh∙kg-1) nedeniyle yaygın ilgi görmüştür. Aynı zamanda, kükürt kaynaklarının bol olması, geniş çapta dağılmış olması, düşük fiyatlı olması ve çevre dostu olması, lityum-kükürt pillerini son yıllarda yeni ikincil piller alanında bir araştırma merkezi haline getirmektedir [5,6].

1 Lityum-kükürt pillerin çalışma prensibi ve mevcut sorunları

Lityum-kükürt piller genellikle pozitif elektrot olarak elementel kükürt ve negatif elektrot olarak metalik lityum kullanır. Temel pil yapısı Şekil 1(a)'da gösterilmektedir. Elektrokimyasal reaksiyon, katı-sıvı faz geçişi ve bir dizi lityum polisülfit ara ürününün eşlik ettiği çoklu elektron transferlerini içeren çok adımlı bir dönüşüm reaksiyonu sürecidir (Şekil 1(b)) [7,8]. Bunlar arasında reaksiyon zincirinin her iki ucunda bulunan elementel kükürt ve kısa zincirli Li2S2/Li2S, elektrolitte çözünmez ve elektrot yüzeyinde çökelme şeklinde bulunur. Uzun zincirli lityum polisülfit (Li2Sx, 4 Küçük veya eşit x Küçük veya eşit 8), elektrolit içinde daha yüksek çözünürlüğe ve göç kabiliyetine sahiptir. Elektrot malzemelerinin kendine özgü özelliklerine ve katı-sıvı faz dönüşüm reaksiyon mekanizmasına dayanarak, lityum-kükürt piller enerji ve maliyet avantajlarına sahiptir, ancak aynı zamanda birçok sorun ve zorlukla da karşı karşıyadırlar [9,10,11,12]:

Şekil 1 (a) lityum-kükürt pil konfigürasyonunun ve (b) karşılık gelen şarj-deşarj sürecinin şematik diyagramı[7]

1) Katı faz elementel kükürt ve Li2S, elektrot yüzeyinde birikir ve bunların içsel elektron ve iyon ataletleri, şarj iletiminde zorluğa ve yavaş reaksiyon kinetiğine neden olur, böylece aktif malzemelerin kullanım oranı ve pilin gerçek kapasitesi azalır.

2) Reaksiyon zincirinin her iki ucunda kükürt ve Li2S arasında büyük bir yoğunluk farkı vardır (2,07'ye karşı 1,66 g∙cm-3). Malzeme, reaksiyon süreci sırasında %80'e varan hacim değişikliğine maruz kalır ve elektrotun mekanik yapısal stabilitesi büyük zorluklarla karşı karşıya kalır.

3) Lityum polisülfitin elektrolit içindeki çözünme ve göç davranışı ciddi bir "mekik etkisine" neden olur ve bu da ciddi aktif malzeme kaybına ve Coulomb kaybına neden olur. Ek olarak lityum polisülfit, anot yüzeyinde kimyasal/elektrokimyasal yan reaksiyonlara katılır; bu, yalnızca aktif malzemelerin daha fazla kaybına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda anot yüzeyini pasifleştirir ve korozyona uğratır, lityum dendritlerin oluşumunu ve büyümesini ağırlaştırır ve güvenlik risklerini artırır.

Bu problemler birbiriyle ilişkilidir ve birbirlerini etkiler; bu da pil sisteminin karmaşıklığını büyük ölçüde artırır, mevcut lityum-kükürt pillerin aktif malzeme kullanımı, gerçek enerji yoğunluğu, döngü kararlılığı ve güvenlik açısından pratik uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamasını zorlaştırır. . Yukarıdaki sorunların analizinden, kükürt elektrokimyasal reaksiyon sürecinin makul şekilde kontrol edilmesinin, lityum-kükürt pillerin performansını artırmanın tek yolu olduğu görülebilir. Kükürt elektrokimyasının etkili yönetimi ve iyileştirilmesinin nasıl sağlanacağı, ileri fonksiyonel malzemelerin hedeflenen tasarımına, geliştirilmesine ve uygulanmasına bağlıdır. Bunlar arasında en temsili strateji, kükürt katot konakçıları veya değiştirilmiş ayırıcılar olarak iletken, adsorpsiyon ve katalitik özelliklere sahip fonksiyonel malzemeler geliştirmektir. Lityum polisülfür ile fiziksel ve kimyasal etkileşimi sayesinde aktif malzeme pozitif elektrot alanıyla sınırlandırılır, çözünmeyi ve difüzyonu engeller ve elektrokimyasal dönüşümünü destekler. Böylece mekik etkisi hafifletilir ve pilin enerji verimliliği ve döngü stabilitesi artar [13,14]. Bu fikre dayanarak araştırmacılar, karbon malzemeleri, iletken polimerler, metal organik çerçeveler, metal oksitler/sülfürler/nitrürler vb. dahil olmak üzere çeşitli tipte fonksiyonel malzemeleri hedefli bir şekilde geliştirdiler. İyi sonuçlar elde edildi [15,16,17, 18,19].

2 Lityum-kükürt pillerde bor bazlı malzemelerin uygulanması

Bor en küçük metaloid elementtir. Küçük atom yarıçapı ve büyük elektronegatifliği, metalik kovalent bileşiklerin oluşturulmasını kolaylaştırır. Bor atomları tipik elektron eksikliği olan bir yapıya sahiptir ve değerlik elektron konfigürasyonları 2s22p1'dir. Çok merkezli bağlar oluşturmak için çeşitli hibridizasyon formları aracılığıyla bir veya daha fazla elektronu diğer atomlarla paylaşabilirler [20,21]. Bu özellikler borür yapısını son derece ayarlanabilir hale getirir, eşsiz ve zengin kimyasal ve fiziksel özellikler gösterir ve hafif sanayi, yapı malzemeleri, milli savunma, enerji vb. gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılabilir [22,23]. Karşılaştırıldığında, lityum-kükürt pillerinde bor bazlı malzemeler üzerine yapılan araştırmalar henüz başlangıç ​​aşamasındadır. Son yıllarda nanoteknoloji ve karakterizasyon yöntemleri ilerlemeye devam etmiş ve bor bazlı malzemelerin yapısal özellikleri sürekli olarak araştırılıp geliştirilerek, lityum-kükürt sistemlerinde hedeflenen araştırma ve uygulamalar da ortaya çıkmaya başlamıştır. Bunu göz önünde bulundurarak, bu makale borofen, bor atomu katkılı karbon, metal borürler ve metal olmayan borürler gibi tipik bor bazlı malzemelere odaklanmaktadır. Bu makale, lityum-kükürt pillerindeki en son araştırma ilerlemelerini gözden geçirmekte, mevcut sorunları özetlemekte ve gelecekteki geliştirme yönlerini sabırsızlıkla beklemektedir.

2.1 Boren

Bor elementleri arasında oldukça temsili bir allotrop olan borofen, grafene benzer, tek atom kalınlığında iki boyutlu bir yapıya sahiptir. Yığın bor elementiyle karşılaştırıldığında üstün elektriksel, mekanik ve termal özellikler gösterir ve iki boyutlu malzemelerde yükselen bir yıldızdır [24]. Bor atomlarının düzenlenmesindeki topolojik farklılıklara dayanarak borofen, anizotropik iletken özelliklerinin yanı sıra zengin kristal yapılara ve elektronik özelliklere sahiptir. Şekil 2(a, b)'den görülebileceği gibi, borofendeki elektronlar bor atomlarının tepesinde yoğunlaşma eğilimindedir ve bu elektron polarizasyon bölgeleri daha yüksek bağlanma aktivitesine sahiptir. Lityum-kükürt pil sistemlerinde polisülfitler için iyi kimyasal adsorpsiyon bölgeleri sağlaması beklenmektedir [25]. Aynı zamanda borofen filmi iyi elektriksel iletkenliğe ve fiziksel ve kimyasal stabiliteye sahiptir, bu nedenle lityum-sülfür pillerde iyi bir uygulama potansiyeline sahiptir.

Şekil 2 (a) Farklı borofenlerin yapısal modelleri ve bunlara karşılık gelen yük yoğunluğu dağılımları, (b) polisülfitlerin farklı borofenler üzerindeki adsorpsiyon enerjileri[25]

Jiang ve diğerleri. [26] teorik hesaplamalar yoluyla borofenin lityum polisülfür için güçlü adsorpsiyon kapasitesi gösterdiğini bulmuşlardır. Bununla birlikte, bu güçlü etkileşim aynı zamanda Li-S kümelerinin ayrışmasını da kolayca tetikleyebilir ve bu da aktif madde olan kükürtün kaybına neden olabilir. Buna karşılık, borofenin içsel kusur yapısına sahip yüzeyi, lityum polisülfidi daha yavaş bir şekilde adsorbe eder [27], bu da halka yapısının ayrışmasını ve tahribatını önlerken mekik davranışını sınırlamasına olanak tanır. Daha uygun bir lityum polisülfit adsorpsiyon malzemesi olması bekleniyor. Aynı zamanda, borofen-lityum polisülfit adsorpsiyon yapısının enerji bandı analizi sonuçları, adsorpsiyon kümelerinin metalik olduğunu göstermektedir; bu, esas olarak borun kendine özgü metalik özelliklerinden ve güçlü elektroakustik bağlanma mukavemetinden kaynaklanmaktadır. Daha iyi reaksiyon kinetiği elde etmek için kükürtün elektrokimyasal dönüşüm sürecine yardımcı olması beklenmektedir [28]. Ayrıca Grixti ve ark. [29], 12-boren yüzeyinde lityum polisülfit moleküllerinin difüzyon sürecini simüle etti. 12-borenin bir dizi lityum polisülfüre karşı güçlü adsorpsiyon gösterdiği bulunmuştur. Li2S6 ve Li2S4 moleküllerinin koltuk yönündeki en düşük difüzyon enerji bariyerleri sırasıyla 0,99 ve 0,61 eV'dir ve bu, zikzak yönündeki difüzyondan daha kolaydır. İyi adsorpsiyon kapasitesi ve orta düzeyde difüzyon enerji bariyeri sayesinde 12-boren, lityum-sülfür pillerdeki mekik etkisini bastırması ve sülfür elektrokimyasal reaksiyonlarının tersine çevrilebilirliğini geliştirmesi beklenen mükemmel bir lityum polisülfit adsorpsiyon malzemesi olarak kabul edilir.

Bununla birlikte, lityum-kükürt pillerinde borun seyreltilmesine ilişkin mevcut araştırmaların çoğu hala teorik tahmin aşamasındadır ve deneysel doğrulamalar nadiren rapor edilmektedir. Bunun temel nedeni bor seyreltisinin hazırlanmasının zorluğudur. Borun varlığı 1990'lı yıllarda tahmin edilmişti ancak gerçekte 2015 yılına kadar hazırlanamamıştı [30]. Bunun bir nedeni, borun yalnızca üç değerlik elektronuna sahip olması ve eksik elektronları telafi etmek için bir çerçeve yapısı oluşturması gerekmesi olabilir, bu da 2 boyutlu bir yapı yerine 3 boyutlu bir yapı oluşturmayı kolaylaştırır. Şu anda borun hazırlanması genellikle moleküler ışın epitaksisi ve yüksek vakum, yüksek sıcaklık ve diğer koşullar gibi teknolojilere dayanmaktadır ve sentez eşiği yüksektir [31]. Bu nedenle, daha basit ve daha verimli bir bor seyreltik sentez yönteminin geliştirilmesi ve bunun lityum-kükürt pillerindeki etkisini ve ilgili mekanizmaları deneysel olarak daha fazla araştırmak ve göstermek gereklidir.

2.2 Bor atomları katkılı karbon

Kimyasal katkılı karbon malzemeler, yeni enerji araştırmaları alanında sıcak malzemelerdir. Uygun element katkılaması, karbon malzemelerin hafiflik ve yüksek iletkenlik gibi avantajlarını korurken, onlara farklı uygulama senaryolarına uyum sağlamaları için ek fiziksel ve kimyasal özellikler kazandırabilir [32,33]. Lityum-kükürt pillerinde kimyasal olarak katkılanmış karbon malzemeler geniş çapta incelenmiştir [34,35], bunlar arasında nitrojen atomları gibi yüksek derecede elektronegatif atomlarla katkılama daha yaygındır. Buna karşılık bor, elektron eksikliği olan bir yapıya sahiptir ve karbondan daha az elektronegatiftir. Karbon kafesine dahil edildikten sonra elektropozitif hale gelir. Negatif yüklü polisülfit anyonları üzerinde iyi bir adsorpsiyon etkisi oluşturması ve böylece mekik etkisini hafifletmesi beklenmektedir [36,37].

Yang ve diğerleri. [38], kükürt katot ana malzemesi olarak bor katkılı gözenekli karbon kullanmış ve bor katkılamanın, yalnızca karbon malzemenin elektronik iletkenliğini geliştirmekle kalmayıp, aynı zamanda karbon matrisinin pozitif polarizasyonunu da indüklediğini bulmuşlardır. Negatif yüklü polisülfit iyonları, elektrostatik adsorpsiyon ve Lewis etkileşimi yoluyla etkili bir şekilde adsorbe edilir ve sabitlenir, böylece bunların çözünmesi ve difüzyonu engellenir (Şekil 3(a, b)). Bu nedenle, bor katkılı gözenekli karbona dayalı kükürt katodu, saf karbon ve nitrojen katkılı numunelere göre daha yüksek başlangıç ​​kapasitesi ve daha kararlı döngü performansı sergiler. Xu ve diğerleri. [39] hidrotermal tek kap yöntemiyle bor atomu katkılı karbon nanotüp/kükürt kompozit katot malzemesini (BUCNTs/S) elde etti. Sıvı fazlı yerinde sentez, kükürtün kompozit içinde daha düzgün bir şekilde dağılmasını sağlarken, bor katkısı, karbon bazlı ana malzemeye daha yüksek elektrik iletkenliği ve daha güçlü kükürt sabitleme yeteneği kazandırır. Sonuçta elde edilen BUCNT'ler/S elektrotu, 0.2C'de 1251 mAh∙g-1 başlangıç ​​kapasitesi elde etti ve 400 döngüden sonra hala 750 mAh∙g-1 kapasiteyi koruyabildi. Batarya fonksiyonel ayırıcıların tasarımında kükürt katot konakçılarının yanı sıra bor katkılı karbon malzemeler de önemli bir rol oynamaktadır. Han ve ark. [40], mekik etkisini etkili bir şekilde hafifletmek ve aktif malzemelerin kullanım oranını iyileştirmek için polisülfitlerin adsorpsiyonunu ve yeniden kullanımını kullanarak fonksiyonel bir modifikasyon katmanı oluşturmak için geleneksel bir ayırıcı üzerine hafif bor katkılı grafen kapladı.

Şekil 3 (a) B katkılı karbon omurgasının şeması, (b) farklı element katkılı gözenekli karbona dayanan kükürt kompozitlerinin S2p XPS spektrumları; ve (c) NBCGN/S kompozitinin şarj-deşarj sürecinin şeması, (d) 0.2C'de döngü ve (e) farklı element katkılı kavisli grafen nanoşeritlere dayanan kükürt elektrotlarının hız performansları[44]

Farklı katkılama elemanlarının temel özellikleri ve bunların karbon kafes yapısındaki farklı etki modları göz önüne alındığında, çok elementli ortak katkılama, karbon malzemelerin yüzey kimyasını düzenlemek ve kükürt elektrokimyasal reaksiyonlarını geliştirmek için önemli stratejilerden biridir. 42, 43]. Bu bağlamda, Kuang'ın araştırma grubu [44], Şekil 3(c)'de gösterildiği gibi, kükürt katodu için ana malzeme olarak hidrotermal yöntemle ilk kez nitrojen ve bor katkılı grafen nanoşeritleri (NBCGN'ler) sentezledi. Çalışma, nitrojen ve borun birlikte katkılanmasının sinerjik etkisinin, NBCGN'lerin yalnızca daha büyük spesifik yüzey alanı, gözenek hacmi ve daha yüksek iletkenlik elde etmesini sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda kükürtün katotta eşit şekilde dağıtılmasına da yardımcı olduğunu buldu. Daha da önemlisi, bor ve nitrojen, ortak katkılı sistemde elektron bakımından eksik ve elektron bakımından zengin merkezler olarak hareket eder. Lewis etkileşimleri yoluyla sırasıyla Sx2- ve Li+ ile bağlanabilir, böylece lityum polisülfit daha verimli bir şekilde adsorbe edilir ve pilin döngü ve hız performansı önemli ölçüde iyileştirilir (Şekil 3(d, e)). Yüksek ve düşük elektronegatiflik elemanlarının benzer doping stratejilerine dayanmaktadır. Jin ve ark. [45] katkı maddesi olarak borik asit kullanarak bor ve oksijen katkılı çok duvarlı karbon nanotüp konakçı malzemeleri hazırladılar. Ortaya çıkan pil, 100 döngüden sonra hala 937 mAh∙g-1'lik spesifik kapasiteyi korur; bu, sıradan karbon tüplere dayalı pil performansından (428 mAh∙g-1) önemli ölçüde daha iyidir. Ayrıca araştırmacılar başka ortak doping biçimlerini de denediler. Borosilikat katkılı grafen [46], kobalt metali ve bor nitrojen ortak katkılı grafen [47] vb. dahil olmak üzere, pil performansını etkili bir şekilde iyileştirmiştir. Birlikte katkılanan bileşenlerin sinerjistik etkisi, kükürt elektrokimyasal reaksiyonunun iyileştirilmesinde çok önemli bir rol oynar.

Bor elementi katkılaması, karbon malzemelerin içsel iletkenliğini ve yüzey kimyasal polaritesini etkili bir şekilde iyileştirebilir, kimyasal adsorpsiyonu güçlendirebilir ve lityum polisülfürün mekik davranışını engelleyebilir, böylece kükürt elektrokimyasal reaksiyon kinetiğini ve stabilitesini iyileştirebilir ve pil performansını iyileştirebilir. Buna rağmen, lityum-sülfür pillerde bor katkılı karbon malzemelerin araştırılmasında hala daha fazla araştırılması ve analiz edilmesi gereken birçok sorun bulunmaktadır. Örneğin bor katkılama miktarının ve katkılama konfigürasyonunun karbon malzemelerin lityum polisülfürünün iletkenliği, yüzey yük dağılımı ve adsorpsiyon davranışı üzerindeki etkisi. Aynı zamanda yüksek bor katkılı karbon malzemelerin nasıl elde edileceği ve katkılama konfigürasyonunun hassas bir şekilde nasıl kontrol edileceği, ileri hazırlama yöntem ve teknolojilerinin geliştirilmesine bağlıdır. Ek olarak, çok elementli ortak katkılı sistemler için daha uygun katkılama elementi kombinasyonlarının daha fazla araştırılması gerekmektedir. Ortak katkılı yapının sinerjistik etki mekanizmasını ve bunun kükürt elektrokimyasındaki konak-konuk etkileşimlerinin modu ve yoğunluğu üzerindeki etkisini açıklığa kavuşturmak için sistematik bir yapı-aktivite ilişkisi kurun.

2.3 Metal borürler

Metal bileşikleri, içsel kimyasal polarite özellikleri ve iyi morfolojik ve yapısal esneklikleri nedeniyle, lityum-sülfür pillerdeki fonksiyonel malzemeler için her zaman bir araştırma noktası olmuştur. Yaygın metal oksitlerden, sülfürlerden, nitrürlerden ve diğer iyonik bileşiklerden farklıdır. Metal borürler genellikle kovalent bağlara dayanan bor ve metal elementlerden oluşur ve dolgulu yapıları metalikliğin bir kısmını miras alır. Diğer metal bileşiklerinden çok daha yüksek iletkenlik gösterir (Şekil 4) [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56] ve elektrokimyasal reaksiyonlar için hızlı bir elektron kaynağı sağlayabilir [57]. Aynı zamanda metal ve bor arasında, polisülfitler için iyi adsorpsiyon bölgeleri sağlayabilen lokal sınırlı iyonik bağ polar yapısı vardır [58,59]. Ayrıca elektronegatifliği yüksek borun geçiş metalleri ile alaşımlanması sonrasında stabilitesi zayıflar ve redoks reaksiyonlarına katılması kolaylaşır. Bu, metal borürlerin, bir aracı olarak yüzey reaksiyonları yoluyla lityum-kükürt elektrokimyasal reaksiyonlara katılmasını mümkün kılar [60].

Şekil 4 Çeşitli metal bileşikleri kategorileriyle iletkenlik karşılaştırması[48,49,50,51,52,53,54,55,56]

Guan ve diğerleri. [61] sıvı faz indirgeme yöntemini kullanarak amorf Co2B nanopartiküllerini grafen üzerine yükleyerek kükürt katotları için bir konakçı malzeme hazırladılar. Çalışmalar, hem borun hem de kobaltın, lityum polisülfitin kimyasal olarak sabitlenmesi için adsorpsiyon bölgeleri olarak hizmet edebildiğini ve böylece çözünmesini ve göçünü engellediğini bulmuştur. Grafenin mükemmel uzun menzilli iletkenliği ile birleştiğinde, pil 1C hızında 450 döngüden sonra hala 758 mAh·g-1'lik bir deşarj özgül kapasitesine sahiptir ve döngü başına kapasite azalma oranı { {26}}.029%, mükemmel döngü performansı gösteriyor. Benzer bir sinerjistik adsorpsiyon etkisine dayanarak, lityum-kükürt piller için fonksiyonel bir ayırıcı olarak kullanılan Co2B@CNT kompozit malzemesi, 11,67 mg∙m-2 kadar yüksek bir Li2S6 adsorpsiyon kapasitesine sahiptir [62]; Polisülfitlerin difüzyonunu ve nüfuzunu etkili bir şekilde bloke eder ve mekik etkisini engelleme amacına ulaşır. Bu temelde, Guan ve ark. [63] ayrıca Co2B@MXene heteroeklemli kompozit malzeme hazırlamak için taşıyıcı olarak iki boyutlu metal karbür (MXene) kullandı (Şekil 5(a~d)). Teorik hesaplamalar yoluyla, heteroeklem arayüzündeki elektronik etkileşimin elektronların Co2B'den MXene'ye transferine yol açtığı bulunmuştur. Bu etki Co2B'nin polisülfidler için adsorpsiyonunu ve katalitik yeteneğini geliştirir (Şekil 5(a, b)). Bu nedenle, Co2B@MXene işlevsel olarak değiştirilmiş ayırıcıya dayalı olarak pilin kapasitesinin azalma oranı, 2000 döngü boyunca döngü başına yalnızca %0,0088'dir. Ve 5,1 mg∙cm-2 kükürt yükünde, spesifik kapasite hala 5,2 mAh∙cm-2 kadar yüksektir (Şekil 5(c, d)). Kristalin faz yapılarıyla karşılaştırıldığında bu tip amorf faz metal borür malzemelerinin malzeme hazırlamasının daha yumuşak ve daha basit olduğu belirtilmelidir. Bununla birlikte, atomik ve moleküler yapısının kontrol edilebilirliği ve kararlılığı nispeten zayıftır; bu da bileşenlerinin ve mikro yapısının açıklığa kavuşturulması ve kükürt elektrokimyasal reaksiyon süreci üzerindeki etki mekanizmasının araştırılmasında büyük bir engel teşkil etmektedir.

Şekil 5 (a) Co2B ve Co2B@MXene yüzeylerindeki Li2S4 adsorpsiyon konfigürasyonları, (b) Co2B ve MXene arasındaki arayüzlerde elektron yeniden dağıtım şeması, (c) Co2B@MXene ve diğer ayırıcılara dayalı hücrelerin döngü performansları, ( d) Co2B@MXene hücresinin uzun vadeli döngü performansı[63]; (e) polisülfitlerin TiB2 üzerindeki yüzey-kimyasal hapsolmasının şematik gösterimi, (f) adsorpsiyon konfigürasyonları ve (g) TiB2'nin (001) ve (111) yüzeyleri üzerindeki kükürt türlerinin enerjileri, (h) yüksek yükleme performansı ve (i) ) TiB2-tabanlı kükürt elektrotun[ uzun vadeli döngüsü63,65]

TiB2, mükemmel elektrik iletkenliğine (~106 S∙cm-1) sahip klasik bir metal borürdür ve iletken seramikler, hassas işleme ve elektrokimyasal cihazlar gibi alanlarda yaygın olarak kullanılır. TiB2 tipik bir altıgen yapıya sahiptir ve kükürt reaksiyonunun hacim değişimine uyum sağlamaya yardımcı olan yüksek sertliğe ve yapısal esnekliğe sahiptir. Aynı zamanda, yüzeyindeki çok sayıda doymamış yapının, lityum polisülfür [64] ile güçlü bir arayüzey kimyasal etkileşimi oluşturması ve böylece iyi adsorpsiyon ve sınırlama etkileri elde etmesi beklenmektedir. Li ve diğerleri. [65] ilk olarak TiB2'nin kükürt katotları için ana malzeme olarak kullanıldığını bildirmiştir. Şekil 5'te (örneğin) gösterildiği gibi, S ile termal bileşik oluşturma işlemi sırasında TiB2'nin yüzeyi kısmen sülfürlenir. Reaksiyon sırasında üretilen lityum polisülfür, van der Waals kuvvetleri ve Lewis asit-baz etkileşimleri yoluyla etkili bir şekilde adsorbe edilir ve bu mekanizmanın etkisi (001) yüzeyinde daha belirgindir. Elde edilen kükürt katodu, 1C hızında 500 döngülük kararlı bir döngü elde etti ve aynı zamanda, 3,9 mg∙cm'lik bir kükürt yüklemesinde 100 döngüden sonra spesifik kapasite hala 3,3 mAh∙cm-2'yi korudu. }}. iyi elektrokimyasal performans gösterdi (Şekil 5(h, i)). XPS analizi ve teorik hesaplamaların sonuçlarına dayanarak, TiB2'nin mükemmel lityum polisülfit adsorpsiyon etkisi, yüzey "pasivasyon" mekanizmasına atfedilmelidir. Ek olarak, Lu'nun araştırma grubu [66] TiB2, TiC ve TiO2'nin lityum polisülfit üzerindeki adsorpsiyon etkilerini karşılaştırdı ve karşılık gelen kimyasal adsorpsiyon ve solvasyon desorpsiyonu arasındaki rekabet mekanizmasını araştırdı. Sonuçlar, düşük elektronegatifliğe sahip borun, TiB2'nin daha güçlü adsorpsiyon kapasitesine sahip olmasını sağladığını ve zayıf solvasyon kapasitesine sahip eter elektrolit ile birleştirildiğinde, kükürt kullanımını etkili bir şekilde geliştirebildiğini ve elektrokimyasal reaksiyonların tersine çevrilebilirliğini artırabildiğini göstermektedir. Bunun ışığında, TiB2 ayrıca aktif malzemeleri verimli bir şekilde adsorbe eden, sabitleyen ve yeniden kullanan, pil döngüsü stabilitesini önemli ölçüde artıran çok işlevli ayırıcıların [67] yapımında da kullanılmıştır. Kapasite, 0,5C'de 300 döngüden sonra başlangıç ​​değerinin %85'ini koruyabilir.

TiB2'ye benzer şekilde MoB iyi bir iletkenliğe sahiptir ve kendine özgü iki boyutlu yapısı adsorpsiyon bölgelerini tamamen açığa çıkarmaya yardımcı olur ve iyi bir kükürt katot katalizörü olması beklenir [68]. Austin'deki Texas Üniversitesi'ndeki Manthiram araştırma grubu [69], indirgeyici bir ajan olarak Sn'yi kullandı ve lityum polisülfür için iyi adsorpsiyon ve katalitik yetenekler gösteren katı faz yöntemiyle MoB nanopartiküllerini sentezledi. MoB, kükürt reaksiyonları için hızlı bir elektron kaynağı sağlayabilen yüksek bir elektronik iletkenliğe (1,7×105 S∙m-1) ​​sahiptir; Aynı zamanda MoB'nin hidrofilik yüzey özellikleri elektrolitin ıslanmasına yardımcı olur ve lityum iyonlarının hızlı taşınmasına yardımcı olur. Bu, aktif malzemelerin zayıf elektrolit koşullarında kullanılmasını sağlar; ek olarak, nano boyutlu MoB, elektron eksikliği olan bor atomları tarafından indüklenen katalitik aktif bölgeleri tamamen açığa çıkarabilir ve malzemenin hem mükemmel içsel hem de görünür katalitik aktiviteye sahip olmasını sağlar. Bu avantajlara dayanarak, MoB az miktarda eklense bile elektrokimyasal performansı önemli ölçüde artırabilir ve önemli ölçüde pratiklik gösterebilir. Ortaya çıkan pil, 1C hızında 1,000 döngüden sonra döngü başına yalnızca %0,03'lük bir kapasite zayıflamasına sahiptir. Ve 3,5 mg∙cm-2 kükürt yüklemesinde ve 4,5 mL∙g-1 elektrolit/kükürt oranında (E/S) mükemmel yumuşak paket pil döngüsü performansı elde edildi. Ek olarak, Nazar araştırma grubu [70] lityum polisülfür için elektrokimyasal dönüşüm ortamı olarak hafif MgB2'yi kullandı. Hem B hem de Mg'nin, polisülfit anyonları için adsorpsiyon bölgeleri olarak görev yapabileceği, elektron transferini güçlendirebileceği ve yüksek kükürt yüklemesinde (9,3 mg∙cm-2) daha iyi döngü stabilitesi elde edebileceği bulunmuştur.

Bu çalışmalar, metal borürlerin kükürt elektrokimyasal reaksiyonlarının iyileştirilmesindeki etkinliğini ve üstünlüğünü tam olarak göstermektedir. Bununla birlikte, metal oksitler ve sülfürler gibi sistemlerle karşılaştırıldığında, lityum-kükürt pillerdeki metal borürler hakkında hala nispeten az sayıda araştırma raporu bulunmaktadır ve malzemeler ve ilgili mekanizmalar üzerindeki araştırmaların da genişletilmesi ve derinleştirilmesi gerekmektedir. Ek olarak, kristal metal borürler genellikle yüksek yapısal dayanıma sahiptir ve hazırlama süreci, yüksek enerji bariyerlerinin aşılmasını ve yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve diğer zorlu koşulların dahil edilmesini gerektirir, bu da araştırma ve uygulamalarını sınırlar. Bu nedenle basit, hafif ve etkili metal borür sentez yöntemlerinin geliştirilmesi de metal borür araştırmalarında önemli bir yöndür.

2.4 Metal olmayan borürler

Metal borürlerle karşılaştırıldığında metal olmayan borürler genellikle daha az yoğun ve daha hafiftir, bu da yüksek enerji yoğunluklu pillerin geliştirilmesine faydalıdır; ancak düşük iletkenlikleri, kükürt elektrokimyasal reaksiyonlarının verimliliğine ve kinetiğine karşı direnç oluşturur. Şu anda araştırmacılar, bor nitrür, bor karbür, bor fosfit ve bor sülfit dahil olmak üzere metal olmayan borürlere dayanan lityum-kükürt piller için kükürt sabitleyici malzemelerin yapımında belirli ilerlemeler kaydetmişlerdir [71, 72, 73].

Bor nitrür (BN) ve bor karbür (BC), metal olmayan borürlerin en temsili ve yaygın olarak incelenen iki tanesidir. BN, dönüşümlü olarak bağlanan nitrojen atomları ve bor atomlarından oluşur ve esas olarak dört kristal form içerir: altıgen, trigonal, kübik ve leurit [74]. Bunların arasında altıgen bor nitrür (h-BN), grafit benzeri iki boyutlu yapısı ve lokalize elektronik polarizasyon özellikleri nedeniyle geniş bant aralığı, yüksek termal iletkenlik ve iyi termal ve kimyasal stabilite gibi özellikler sergiler [75,76]. BN yapısı bariz polar özelliklere sahiptir ve lityum polisülfür için güçlü kimyasal adsorpsiyon kapasitesine sahiptir. Aynı zamanda yüzey kimyasal özellikleri, polisülfid moleküler yapısının stabilitesini sağlarken adsorpsiyon gücünü arttırırken element katkısı ve topolojik kusur yapısı yoluyla kontrol edilebilir [77]. Bu fikirden yola çıkarak Yi ve ark. [78], nitrojenden fakir birkaç katmanlı bor nitrürün (v-BN) kükürt katotları için bir konakçı malzeme olduğunu bildirmiştir (Şekil 6(a)). Araştırmalar, v-BN'deki elektropozitif boşlukların yalnızca polisülfitlerin sabitlenmesine ve dönüştürülmesine yardımcı olmakla kalmayıp aynı zamanda lityum iyonlarının difüzyonunu ve göçünü de hızlandırdığını buldu. Orijinal BN ile karşılaştırıldığında v-BN tabanlı katot, 0.1C'de daha yüksek bir başlangıç ​​kapasitesine (1262'ye karşı 775 mAh∙g-1) ve 5{{24} sonrasında kapasite azalma oranına sahiptir. } 1°C'de 0 döngü, döngü başına yalnızca %0,084'tür. İyi bisiklet stabilitesi gösterir. Ayrıca He ve ark. [79], O katkılamanın BN yüzeyinin kimyasal polaritesini daha da geliştirebildiğini, malzemenin daha büyük bir spesifik yüzey alanı oluşturmasını teşvik edebildiğini ve aynı anda içsel ve görünür adsorpsiyon özelliklerini geliştirebildiğini buldu.

Şekil 6 (a) TEM görüntüsü ve v-BN['nin şematik atom yapısı78]; (b) g-C3N4/BN/grafen kompozit iyon elek şeması ve (c) karşılık gelen Li-S hücre döngüsü performansı[80]; (d) BN/Celgard/karbon üç katmanlı ayırıcının şematik ve optik görüntüsü ve (e) karşılık gelen hücre döngüsü performansı[83]; (f) Şema ve (g) B4C@CNF'nin SEM görüntüsü ve B4C nanotel modeli, (h) B4C'nin farklı yönleri üzerindeki Li2S4 adsorpsiyon enerjileri[87]

BN malzemesi iyi kimyasal adsorpsiyon özelliklerine sahip olmasına rağmen, kendi zayıf iletkenliği reaktif yük transferine elverişli değildir. Bu nedenle iletken malzemelerle kompozit yapıların tasarımı, bunların kapsamlı adsorpsiyon ve katalitik performanslarını daha da geliştirmenin önemli bir yoludur. Bunu göz önünde bulundurarak Deng ve ark. [80], lityum-sülfür piller için çok işlevli bir ara katman olarak grafit benzeri karbon nitrür (g-C3N4), BN ve grafen bazlı bir kompozit iyon eleği tasarladı (Şekil 6(b)). Bunlar arasında, g-C3N4 yapısındaki 0.3 nm boyutlu düzenli iyon kanalları, polisülfitleri etkili bir şekilde bloke edebilir ve lityum iyonlarının geçmesine izin verebilir. BN, polisülfitlerin dönüşümünü teşvik etmek için bir reaksiyon katalizörü görevi görür ve grafen, mükemmel uzun menzilli iletkenlik sağlamak için yerleşik bir akım toplayıcı görevi görür. . Bu üç iki boyutlu bileşenin sinerjik etkisi sayesinde, ortaya çıkan pil, 6 mg∙cm-2 yüksek kükürt yükünde ve 1C hızında 500'dan fazla döngü boyunca stabil bir şekilde döngü yapabilir. (Şekil 6(c)). Ek olarak araştırmacılar, katot yüzeyine koruyucu bir katman olarak daha basit ve daha doğrudan bir biçimde ince bir BN nanosheet/grafen kompozit film tabakası uygulamaya çalıştılar [81,82]. Lityum polisülfürün çözünmesini ve difüzyonunu etkili bir şekilde engeller ve kükürt katodunun spesifik kapasitesini ve döngü stabilitesini önemli ölçüde artırır. 3°C'de 1000 döngü sırasında kapasite zayıflama oranı döngü başına yalnızca %0,0037'dir. İlginç bir şekilde, Hanyang Üniversitesi'ndeki Ungyu Paik araştırma grubu [83], BN/Celgard/karbon sandviç yapısına sahip çok işlevli bir ayırıcı oluşturmak için başka bir fikir kombinasyonunu benimsedi. Şekil 6(d)'de gösterildiği gibi, karbonlu katman ve BN katmanı sırasıyla sıradan ayırıcının pozitif ve negatif elektrot tarafları üzerine kaplanır. Bunlar arasında, karbon katmanı ve BN katmanı, lityum polisülfitin taşınmasını ortaklaşa bloke edebilir ve negatif elektrotun yüzeyine difüzyonunu sınırlayabilir. Aynı zamanda negatif elektrot tarafındaki BN katmanı da lityum dendritlerin büyümesini sınırlıyor. Bu işbirliğine dayalı koruma mekanizması sayesinde pil, 0,5C'de 250 döngü sonrasında yüksek kapasite tutma oranına (%76,6) ve spesifik kapasiteye (780,7 mAh∙g-1) sahip olur. Sıradan ayırıcılardan ve saf karbonla modifiye edilmiş ayırıcılardan önemli ölçüde daha iyidir (Şekil 6(e)).

N ile karşılaştırıldığında C'nin elektronegatifliği daha düşüktür, bu nedenle B ve C arasındaki elektronegatiflik farkı küçüktür, bu da BC yapısının NC'ye kıyasla daha zayıf bir kimyasal polaritesine neden olur. Ancak aynı zamanda BC yapısındaki elektron delokalizasyonu artar ve iletkenlik daha iyi olur [84,85]. Bu nedenle BC genellikle BN'ye nispeten tamamlayıcı fiziksel ve kimyasal özellikler gösterir. Düşük yoğunluğa, nispeten iyi iletkenliğe ve iyi katalitik özelliklere sahiptir ve enerji alanında ümit verici uygulama umutlarına sahiptir [86]. Luo ve diğerleri. [87], katot ana malzemesi olarak karbon fiberler üzerinde bor karbür nanotellerini (B4C@CNF) yerinde büyüttü (Şekil 6(f~h)). Bunlar arasında B4C, polisülfitleri BS bağlanması yoluyla verimli bir şekilde adsorbe eder ve sınırlandırır. Aynı zamanda karbon fiber iletken ağı, adsorbe edilen kükürtün hızlı bir şekilde dönüştürülmesine yardımcı olur ve reaksiyon kinetiğini geliştirir. Elde edilen kükürt katodu, 500 döngüden sonra %80'lik bir kapasite tutma kapasitesine sahiptir ve yüksek kükürt içeriği (kütle oranı %70) ve yükleme kapasitesi (10,3 mg∙cm{) altında kararlı döngü elde edebilir. {16}}). Song ve ark. [88] B4C çevresinde süper sınırlı bir kükürt konakçı yapısı inşa ettiler. Yapı, esnek matris olarak aktif gözenekli pamuklu kumaş karbonu, aktif iskelet olarak B4C nano elyaflarını ve daha fazla kaplama için azaltılmış grafen oksiti kullanıyor. Fiziksel ve kimyasal sınırlamayı verimli bir şekilde birleştirir, aktif maddelerin kaybını azaltır ve mükemmel döngü stabilitesi sağlar. B4C'nin iyi adsorbsiyonu ve katalitik özellikleri göz önüne alındığında, Zhao'nun araştırma grubu [89], aktif bölgeleri verimli bir şekilde dağıtmak ve açığa çıkarmak için B4C nanoparçacıklarını karbon fiber kumaşta yerinde katalitik destekli bir büyüme yöntemi aracılığıyla eşit şekilde dağıttı. Elde edilen kükürt katodu, 3,0 mg∙cm-2 yüklemede 1415 mAh∙g-1 (0,1C)'ye kadar bir başlangıç ​​kapasitesine ve 1°C'de 3000 döngülük ultra uzun bir ömre sahiptir; iyi uygulama beklentileri.

Yukarıdan metal olmayan borürün lityum polisülfür üzerinde iyi bir adsorpsiyon ve katalitik etkiye sahip olduğu ancak iletkenliğinin nispeten düşük olduğu ve kükürt elektrokimyasal reaksiyonuna yardımcı olmak için hala iletken bir taşıyıcıya ihtiyaç duyulduğu görülebilir. Bunlar arasında, bitişik N ve C atomlarının elektronik yapısındaki farklılık, BN ve BC malzemelerinin iletkenlik ve lityum polisülfür ile etkileşimi açısından kendi avantaj ve dezavantajlarına sahip olmasına neden olur. Bunun ışığında, bor sülfit, bor fosfit, bor oksit vb. ile birleştirildiğinde, bu tür metal olmayan borür, yerel kimyasal polar yapı ile adsorpsiyon katalitik arasındaki yapı-aktivite ilişkisini incelemek için iyi bir taşıyıcı ve platform olarak kullanılabilir. yetenek. Daha fazla sistematik korelasyon ve analizin, ilgili mikroskobik reaksiyon süreçlerinin anlaşılmasına, malzemelerin ince yapısının düzenlenmesine ve pillerin elektrokimyasal performansının geliştirilmesine yardımcı olması beklenmektedir. Ek olarak, lityum-kükürt pillerinde metal olmayan borürlerin daha fazla uygulanması ve geliştirilmesi hala bunların hazırlanmasının iyileştirilmesine ve optimizasyonuna dayanması gerekmektedir. Daha yüksek içsel iletkenliğe sahip malzeme yapıları geliştirirken ve iletkenlik, adsorpsiyon ve katalitik etkileri dengelemek ve hesaba katmak için daha verimli kompozit malzemeler tasarlarken basit ve yumuşak hazırlama teknolojileri geliştirin.

3 Sonuç

Özetle lityum-kükürt piller, çoklu elektron transfer reaksiyonlarından dolayı yüksek teorik enerji yoğunluğuna sahiptir. Ancak bunların dönüşüm reaksiyon mekanizmaları ve aktif malzemelerin içsel zayıf iletkenliği, avantajların gerçekleşmesini engellemektedir. Bor bazlı malzemeler benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere ve elektrokimyasal özelliklere sahiptir. Hedeflenen tasarımları ve rasyonel uygulamaları, lityum-sülfür pillerin mekik etkisini hafifletmenin ve reaksiyon kinetiğini ve tersinirliğini iyileştirmenin etkili yollarıdır. Son yıllarda hızla geliştiler. Bununla birlikte, bor bazlı malzemelerin lityum-kükürt pillerde araştırılması ve uygulanması henüz başlangıç ​​aşamasındadır ve malzeme yapı tasarımı ve pilin elektrokimyasal reaksiyon süreci üzerindeki etki mekanizmasının daha da geliştirilmesi ve araştırılması gerekmektedir. Malzeme özelliklerini ve yukarıdaki araştırma ilerlemesini birleştiren yazar, lityum-kükürt pillerinde bor bazlı malzemelerin gelecekteki geliştirilmesinde aşağıdaki yönlere daha fazla dikkat edilmesi gerektiğine inanmaktadır:

1) Malzeme sentezi. Sentetik hazırlama, yukarıda bahsedilen bor bazlı malzemelerin karşılaştığı yaygın bir sorundur. Mekanizma araştırması ve uygulama tanıtımı için maddi bir temel sağlamak üzere daha basit, daha yumuşak ve daha etkili malzeme hazırlama yöntemlerinin geliştirilmesine acil ihtiyaç vardır. Bunlar arasında amorf metal borürlerin sıvı faz indirgeme yöntemiyle hazırlanması umut verici bir gelişme yönüdür. Aynı zamanda avantajlarından ve deneyimlerinden yararlanarak, solvotermal veya erimiş tuz yöntemlerine dayalı sentetik yolların araştırılması ve geliştirilmesi, bor bazlı malzemelerin hazırlanmasında da yeni fikirler sağlayabilir. Ayrıca borürün hazırlanma sürecinde, lityum-kükürt pillerin arayüz reaksiyon özelliklerinin ihtiyaçlarını karşılamak için nanoyapının kontrolü ve tasarımına ve stabilitesine özel dikkat gösterilmesi gerekmektedir.

2) Mekanizma keşfi. Bor bazlı malzemeler benzersiz ve zengin yüzey kimyasal özelliklerine sahiptir. Bor bazlı malzemeler ve polisülfitler arasındaki konakçı-konuk etkileşimlerini daha fazla incelemek için yerinde karakterizasyon yöntemleri kullanılmalıdır. Adsorpsiyon ve katalitik özelliklerinin belirleyici yapısal faktörlerini ortaya çıkarmak ve malzemelerin hedeflenen tasarımı ve geliştirilmesi için teorik rehberlik ve temel sağlamak amacıyla yüzeydeki geri dönüşü olmayan sülfatlaşmaya, kendi kendine elektrokimyasal oksidasyona ve indirgemeye vb. özel dikkat gösterilmelidir. Ek olarak, temsili amorf metal borürler için, amorf ve kristal borürler arasındaki mikro yapı ve ilgili fiziksel ve kimyasal özelliklerdeki farklılıklara özel dikkat gösterilmesi ve karşılık gelen yapısal analiz ve özellik karakterizasyon analiz teknolojilerinin geliştirilmesinde işbirliği yapılması gerekmektedir. Amorf malzemeler, lityum polisülfit ve reaksiyon süreci arasındaki etkileşimi yalnızca kristal yapıya dayanarak çıkarmaktan kaçının.

3) Performans değerlendirmesi. Malzeme ve batarya değerlendirme sistemini optimize etmek için kükürt yüzey yükünü arttırırken, elektrotun kalitesini ve hacimsel enerji yoğunluğunu aynı anda iyileştirmek amacıyla elektrotun kalınlığı ve gözenekliliği gibi temel parametrelerin düzenlenmesine daha fazla dikkat edilmelidir. Ayrıca düşük elektrolit dozajı (E/S) koşulları altında elektrokimyasal özellikler<5 mL∙g-1S) and low negative/positive electrode capacity ratio (N/P<2) were further investigated. At the same time, we explore the amplification effect and related scientific and engineering issues from laboratory button cells to actual production of cylindrical or flexible packaging batteries, and make a reasonable and comprehensive assessment of the performance competitiveness of the battery level. Provide guidance and reference for the commercial development of lithium-sulfur batteries.

Özetle, bu makale bor bazlı malzemelere odaklanmakta ve lityum-kükürt pil sistemlerinde borofen, bor atomu katkılı karbon, metal borürler ve metal olmayan borürlerle ilgili en son araştırma ilerlemelerini gözden geçirmektedir. Umarım meslektaşlarımıza referans ve ilham verebilir, yeni enerji alanında bor bazlı malzemelerin geliştirilmesini ve uygulanmasını genişletebilir ve lityum-kükürt pillerinin pratik gelişimini teşvik edebilir.

Referanslar

[1] DUNN B, KAMATH H, TARASCON J M. Şebeke için elektrik enerjisi depolama: bir dizi seçenek. Bilim, 2011,334(6058):928-935.

[2] ARICO AS, BRUCE P, SCROSATI B, ve diğerleri. Gelişmiş enerji dönüşümü ve depolama cihazları için nanoyapılı malzemeler. Doğa Malzemeleri, 2005,4(5):366-377.

[3] LIANG YR, ZHAO CZ, YUAN H, ve diğerleri. Taşınabilir elektronik cihazlar için şarj edilebilir pillerin gözden geçirilmesi. InfoMat, 2019,1(1):6-32.

[4] GOODENOUGH JB, PARK K S. Li-ion şarj edilebilir pil: bir perspektif. Amerikan Kimya Derneği Dergisi, 2013,135(4):1167-1176.

[5] TARASCON JM, ARMAND M. Şarj edilebilir lityum pillerin karşılaştığı sorunlar ve zorluklar. Doğa, 2011,414:171-179.

[6] JIN GY, HE HC, WU J, ve diğerleri. Lityum sülfür pilinin katodu için sülfür ana bilgisayarı olarak kobalt katkılı içi boş karbon çerçeve. İnorganik Malzemeler Dergisi, 2021,36(2):203-209.

[7] FANG R, ZHAO SY, SUN ZH, ve diğerleri. Daha güvenilir lityum-kükürt piller: durum, çözümler ve beklentiler. Gelişmiş Malzemeler, 2017,29(48):1606823.

[8] HU JJ, LI GR, GAO X P. Lityum-sülfür pillerdeki mevcut durum, sorunlar ve zorluklar. İnorganik Malzemeler Dergisi, 2013,28(11):1181-1186.

[9] LI GR, WANG S, ZHANG YN, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerdeki polisülfürlerin rolünün yeniden gözden geçirilmesi. Gelişmiş Malzemeler, 2018,30(22):1705590.

[10] PENG HJ, HUANG JQ, ZHANG Q. Esnek lityum-kükürt ve analog alkali metal-kalkojen şarj edilebilir pillerin incelenmesi. Kimya Topluluğu İncelemeleri, 2017,46(17):5237-5288.

[11] JANA M, XUR, CHENG XB, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için iki boyutlu nanomalzemelerin rasyonel tasarımı. Enerji ve Çevre Bilimi, 2020,13(4):1049-1075.

[12] HE JR, MANTHIRAM A. Lityum-kükürt pillerdeki elektrokatalizörlerin durumu ve zorlukları üzerine bir inceleme. Enerji Depolama Malzemeleri, 2019,20:55-70.

[13] SEH ZW, SUN YM, ZHANG QF, ve diğerleri. Yüksek enerjili lityum kükürt pillerin tasarlanması. Kimya Topluluğu İncelemeleri, 2016,45(20):5605-5634.

[14] JI XL, EVERS S, BLACK R, ve diğerleri. Polisülfür rezervuarları kullanılarak lityum-kükürt katotlarının stabilize edilmesi. Nature Communications, 2011,2:325.

[15] ZHANG Z, KONG LL, LIU S, ve diğerleri. Lityum-kükürt pili için katot olarak 3D grafen nanotabaka @karbon nanotüp matrisine dayanan yüksek verimli bir kükürt/karbon kompoziti. Gelişmiş Enerji Malzemeleri, 2017,7(11):1602543.

[16] XU WC, PAN XX, MENG X ve diğerleri. Yüksek performanslı lityum-kükürt pili için ultra ince vanadyum nitrür nanopartiküllerini içeren iletken bir kükürt barındıran malzeme. Electrochimica Acta, 2020,331:135287.

[17] LIU YT, LIU S, LI GR, ve diğerleri. Lityum-kükürt pil için ağır ve katalitik metal oksit barındıran yüksek hacimsel enerji yoğunluğuna sahip kükürt katot. İleri Bilim, 2020,7(12):1903693.

[18] CHEN HH, XIAO YW, CHEN C, ve diğerleri. Lityum-sülfür pilin mekik etkisini bir filtreleme yöntemiyle azaltmak için iletken MOF modifiyeli ayırıcı. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2019,11(12):11459-11465.

[19] YOO J, CHO SJ, JUNG GY, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerdeki polisülfitler için moleküler olarak tasarlanmış, hiyerarşik gözenekli bir kimyasal tuzak olarak CNT-net üzerindeki COF-net. Nano Mektuplar, 2016,16(5):3292-3300.

[20] HU Y, LIU C. Organobor bileşikleri için 1,2-migrasyonun tanıtımı. Üniversite Kimyası, 2019,34(12):39-44.

[21] SOREN KM, SUNING W. Bor bazlı uyaranlara duyarlı malzemeler. Kimya Topluluğu İncelemeleri, 2019,48(13):3537-3549.

[22] HUANG ZG, WANG SN, DEWHURST RD, ve diğerleri. Bor: enerji ile ilgili süreç ve uygulamalardaki rolü. Angewandte Chemie Uluslararası Baskısı, 2020,59(23):8800-8816.

[23] ZHU YH, GAO SM, HOSMANE N S. Borla zenginleştirilmiş gelişmiş enerji malzemeleri. Inorganica Chimica Acta, 2017,471:577-586.

[24]KHAN K, TAREEN AK, ASLAM M, et al. 2D-borofen ksenlerin sentezi, özellikleri ve yeni elektrokatalitik uygulamaları. Katı Hal Kimyasında İlerleme, 2020,59:100283.

[25] RAO DW, LIU XJ, YANG H, ve diğerleri. Bir lityum sülfür pilinin çoklu sülfit immobilizasyonu için borofen bazlı bir katot ve elektrolit arasındaki arayüzey rekabeti. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2019,7(12):7092-7098.

[26] JIANG HR, SHYY W, LIU M, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için potansiyel sabitleme malzemeleri olarak borofen ve kusurlu borofen: ilk prensip çalışması. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2018,6(5):2107-2114.

[27] ZHANG CY, HE Q, CHU W, ve diğerleri. Sağlam polisülfit ankrajı için geçiş metalleri katkılı borofen-grafen heteroyapısı: ilk prensip çalışması Uygulamalı Yüzey Bilimi, 2020,534:147575.

[28] ZHANG L, LIANG P, SHU HB, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için verimli kükürt konakçıları olarak borofen: mekik etkisinin bastırılması ve iletkenliğin iyileştirilmesi. Fiziksel Kimya Dergisi C, 2017,121(29):15549-15555.

[29] GRIXTI S, MUKHERJEE S, SINGH C V. Etkileyici bir lityum-kükürt pil katot malzemesi olarak iki boyutlu bor. Enerji Depolama Malzemeleri, 2018,13:80-87.

[30] MANNIX AJ, ZHOU XF, KIRALY B, ve diğerleri. Borofenlerin sentezi: anizotropik, iki boyutlu bor polimorfları. Bilim, 2015,350(6267):1513-1516.

[31] FENG BJ, ZHANG J, ZHONG Q, ve diğerleri. İki boyutlu bor levhaların deneysel olarak gerçekleştirilmesi. Doğa Kimyası, 2016,8(6):564-569.

[32] PARAKNOWITSCH JP, THOMAS A. Karbonların nitrojenin ötesinde katkılanması: enerji uygulamaları için bor, kükürt ve fosfor ile gelişmiş heteroatom katkılı karbonlara genel bakış. Enerji ve Çevre Bilimi, 2013,6(10):2839-2855.

[33] WANG HB, MAIYALAGAN T, WANG X. Azot katkılı grafendeki son gelişmelerin gözden geçirilmesi: sentez, karakterizasyon ve potansiyel uygulamaları. ACS Katalizi, 2012,2(5):781-794.

[34] XIE Y, MENG Z, CAI TW, ve diğerleri. Lityum sülfür pili için katot olarak kullanılan grafen aerojel üzerine bor katkılamanın etkisi. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2015,7(45):25202-25210.

[35] SHI PC, WANG Y, LIANG X, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerindeki uygulamalar için kükürdü kapsüllemek üzere eşzamanlı olarak pul pul dökülmüş bor katkılı grafen tabakaları. ACS Sürdürülebilir Kimya ve Mühendislik, 2018,6(8):9661-9670.

[36] YANG LJ, JIANG SJ, ZHAO Y, ve diğerleri. Oksijen indirgeme reaksiyonu için metal içermeyen elektrokatalizörler olarak bor katkılı karbon nanotüpler. Angewandte Chemie Uluslararası Baskısı, 2011,50(31):7132-7135.

[37] AIW, LI JW, DU ZZ, ve diğerleri. Gelişmiş Li-S piller için bor katkılı gözenekli karbon küre/grafen hibritinde polisülfitlerin ikili olarak hapsedilmesi. Nano Araştırma, 2018,11(9):4562-4573.

[38] YANG CP, YIN YX, YE H, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerde bor katkısının kükürt/karbon katodu üzerindeki etkisine ilişkin bilgi. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2014,6(11):8789-8795.

[39] XU CX, ZHOU HH, FU CP, ve ark. Yüksek performanslı lityum-kükürt piller için bor katkılı sıkıştırılmamış karbon nanotüplerin/kükürt kompozitinin hidrotermal sentezi. Electrochimica Acta, 2017,232:156-163.

[40] HAN P, MANTHIRAM A. Yüksek performanslı Li-S piller için bor ve nitrojen katkılı azaltılmış grafen oksit kaplı ayırıcılar. Güç Kaynakları Dergisi, 2017,369:87-94.

[41] HOU TZ, CHEN X, PENG HJ, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için polisülfitlerin güçlü bir şekilde sabitlenmesini sağlamak amacıyla heteroatom katkılı nanokarbonun tasarım ilkeleri. Küçük, 2016,12(24):3283-3291.

[42] XIONG DG, ZHANG Z, HUANG XY, ve diğerleri. Kararlı Li-S piller için Lewis asit-baz etkileşimi yoluyla B / N kodlu hiyerarşik olarak gözenekli karbon nano tabakalarındaki polisülfit hapsinin arttırılması Enerji Kimyası Dergisi, 2020,51:90-100.

[43] YUAN SY, BAO JL, WANG LN, ve diğerleri. Lityum polisülfürlerin gelişmiş kimyasal emilimi nedeniyle lityum-sülfür pillerin performansının iyileştirilmesi için grafen destekli nitrojen ve bor bakımından zengin karbon katmanı. Gelişmiş Enerji Malzemeleri, 2016,6(5):1501733.

[44] CHEN L, FENG JR, ZHOU HH, ve diğerleri. Yüksek performanslı lityum kükürt pil katotları için yüksek katkı miktarlarına sahip nitrojen, bor katkılı kavisli grafen nanoşeritlerin hidrotermal hazırlanması Malzeme Kimyası Dergisi A, 2017,5(16):7403-7415.

[45] JIN CB, ZHANG WK, ZHUANG ZZ, ve diğerleri. Gelişmiş lityum-kükürt piller için bor ve oksijen çift katkılı çok duvarlı karbon nanotüpler kullanılarak geliştirilmiş sülfit kemisorpsiyonu. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2017,5(2):632-640.

[46] ULLAH S, DENIS PA, SATO F. Sülfür-azot ve silikon-bor kodlu grafende sodyum ve potasyumun adsorpsiyon enerjilerinin olağandışı arttırılması. ACS Omega, 2018,3(11):15821-15828.

[47] ZHANG Z, XIONG DG, SHAO AH, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için verimli kükürt immobilizatörü olarak metalik kobalt ve N/B heteroatomlarının gözenekli karbon nano tabakalara entegre edilmesi Karbon, 2020,167:918-929.

[48] ​​WANG P, KUMAR R, SANKARAN EM, et al. Yüksek basınçta sentezlenen vanadyum diborür (VB2): elastik, mekanik, elektronik ve manyetik özellikler ve termal stabilite. İnorganik Kimya, 2018,57(3):1096-1105.

[49] HE GJ, LING M, HAN XY, ve diğerleri. Yüksek performanslı süper kapasitörler için çekirdek kabuk yapılarına sahip, kendi kendine ayakta duran elektrotlar. Enerji Depolama Malzemeleri, 2017,9:119-125.

[50] WANG CC, AKBAR SA, CHEN W, ve diğerleri. Yüksek sıcaklıktaki oksitlerin, boritlerin, karbürlerin ve nitritlerin elektriksel özellikleri. Malzeme Bilimi Dergisi, 1995,30(7):1627-1641.

[51] XIAO ZB, YANG Z, ZHANG LJ, ve diğerleri. Yüksek kükürt yüklü, ultra yüksek hızlı ve uzun ömürlü lityum kükürt piller için sandviç tipi NbS2@S@I katkılı grafen. ACS Nano, 2017,11(8):8488-8498.

[52] WANG LJ, LIU FH, ZHAO BY, ve diğerleri. Süper kapasitörler için elektrot malzemesi olarak MoS2 nano tabakalarıyla doldurulmuş karbon nanokaseler. ACS Uygulamalı Nano Malzemeler, 2020,3(7):6448-6459.

[53] BALACH J, LINNEMANN J, JAUMANN T, ve diğerleri. Gelişmiş lityum-kükürt piller için metal bazlı nanoyapılı malzemeler. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2018,6(46):23127-23168.

[54] BEN-DOR L, SHIMONY Y. Saf ve NiO katkılı MoO2 ve WO2'nin kristal yapısı, manyetik duyarlılığı ve elektriksel iletkenliği. Malzeme Araştırma Bülteni, 1974,9(6):837-44.

[55] SAMSONOV G. 难熔化合物手册. 北京:中国工业出版社, 1965: 1-147.

[56] FENG LS, QUN CX, LIN MY, ve diğerleri. Lityum iyon piller için anot malzemesi olarak Nb bazlı oksitler. Kimyada İlerleme, 2015,27(2/3):297-309.

[57] TAO Q, MA SL, CUI T, ve diğerleri. Fonksiyonel geçiş metali borürlerinin yapıları ve özellikleri. Acta Physica Sinica, 2017,66(3):036103.

[58] SHEN YF, XU C, HUANG M, ve diğerleri. Bor kümeleri, boran ve metal katkılı bor bileşikleriyle ilgili araştırma gelişmeleri. Kimyada İlerleme, 2016,28(11):1601-1614.

[59] GUPTA S, PATEL MK, MIOTELLO A, ve diğerleri. Elektrokimyasal su ayırma için metal borür bazlı katalizörler: bir inceleme. Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler, 2020,30(1):1906481.

[60] WU F, WU C. Çoklu elektron reaksiyonu kavramına dayalı yeni ikincil piller ve bunların temel malzemeleri. Çin Bilim Bülteni, 2014,59(27):3369-3376.

[61] GUAN B, FAN LS, WU X, ve diğerleri. Amorf bir kobalt borürün (Co2B) grafen kompozit katodunun kolay sentezi ve geliştirilmiş lityum-kükürt pil performansı. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2018,6(47):24045-24049.

[62] GUAN B, ZHANG Y, FAN LS, ve diğerleri. Ultra yüksek hız kapasitesine ve sağlam lityum-sülfür piline yönelik "sinerjik adsorptif etki" yoluyla polisülfitin Co2B@CNT ile bloke edilmesi. ACS Nano, 2019,13(6):6742-6750.

[63] GUAN B, SUN X, ZHANG Y, ve diğerleri. Yüksek performanslı lityum-kükürt piller için kobalt borid@MXene içindeki arayüzey elektronik etkileşiminin keşfi. Çin Kimyasal Mektupları, 2020,32(7):2249-2253.

[64] BASU B, RAJU GSURI A. Monolitik TiB2 bazlı malzemelerin işlenmesi ve özellikleri. Uluslararası Malzeme İncelemeleri, 2006,51(6):352-374.

[65] LI CC, LIU XB, ZHU L, ve diğerleri. Gelişmiş lityum-kükürt piller için kükürt taşıyıcısı olarak iletken ve polar titanyum borür. Malzemelerin Kimyası, 2018,30(20):6969-6977.

[66] LI ZJ, JIANG HR, LAI NC, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerinde katalitik kükürt dönüşümü için etkili çözücü-katalizör arayüzünün tasarlanması. Malzemelerin Gizemi, 2019,31(24):10186-10196.

[67] JIN LM, NI J, SHEN C, ve diğerleri. Geliştirilmiş lityum sülfür piller için çok işlevli bir ayırıcı değiştirici olarak metalik iletken TiB2. Güç Kaynakları Dergisi, 2020,448:227336.

[68] WU R, XU HK, ZHAO YW, ve diğerleri. MoB2'nin borofen benzeri bor alt birimleri yerleştirilmiş molibden çerçevesi, kararlı ve hızlı etkili Li2S6-tabanlı lityum-kükürt pillere olanak tanır. Enerji Depolama Malzemeleri, 2020,32:216-224.

[69] HE JR, BHARGAV A, MANTHIRAM A. Yüksek enerji yoğunluklu lityum-kükürt pillerini mümkün kılmak için polisülfit redoks için etkili bir katalizör olarak molibden borür. Gelişmiş Malzemeler, 2020,32(40):2004741.

[70] PANG Q, KWOK CY, KUNDU D, ve diğerleri. Hafif metalik MgB2, polisülfit redoksuna aracılık eder ve yüksek enerji yoğunluklu lityum-sülfür piller vaat eder. Joule, 2019,3(1):136-148.

[71] YU TT, GAO PF, ZHANG Y, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için potansiyel bir sabitleme malzemesi olarak bor-fosfit tek katmanı: ilk prensip çalışması. Uygulamalı Yüzey Bilimi, 2019,486:281-286.

[72] JANA S, THOMAS S, LEE CH, ve diğerleri. B3S tek katmanlı: lityum iyon piller için yüksek performanslı anot malzemesinin tahmini. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2019,7(20):12706-12712.

[73] SUN C, HAI CX, ZHOU Y, ve diğerleri. Lityum-kükürt pillerin performansını artırmak için katot olarak ön işleme tabi tutulmuş ketjenblack üzerinde yetiştirilen yüksek katalitik bor nitrür nanofiber. ACS Uygulamalı Enerji Malzemeleri, 2020,3(11):10841-10853.

[74] ARENAL R, LOPEZ BEZANILLA A. Bor nitrür malzemeleri: 0D'den 3D (nano)yapılara genel bakış. Wiley Disiplinlerarası İncelemeler-Hesaplamalı Moleküler Bilim, 2015,5(4):299-309.

[75] JIANG XF, WENG QH, WANG XB, ve diğerleri. Bor nitrür nanomalzemelerinin imalatı ve uygulamalarına ilişkin son gelişmeler: bir inceleme. Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Dergisi, 2015,31(6):589-598.

[76] PRAKASH A, NEHATE SD, SUNDARAM K B. Zorlu ortam uygulamaları için bor karbon nitrür bazlı metal-yalıtkan-metal UV dedektörleri. Optik Mektuplar, 2016,41(18):4249-4252.

[77] ZHAO YM, YANG L, ZHAO JX, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için polisülfitlerin immobilizasyonu için inert bor nitrür nano tabakalarının nasıl aktif hale getirileceği: hesaplamalı bir çalışma. Fiziksel Kimya Kimyasal Fizik, 2017,19(28):18208-18216.

[78] YI YK, LI HP, CHANG HH, ve diğerleri. Lityum-kükürt piller için polisülfürün katot matrisi olarak dönüştürülmesini teşvik etmek için tasarlanmış nitrojen boşluklarına sahip birkaç katmanlı bor nitrür. Kimya, 2019,25(34):8112-8117.

[79] HE B, LI WC, ZHANG Y, ve diğerleri. Yüksek hızlı ve ultra uzun ömürlü lityum-sülfür pil için monoklinik sülfür konakçısı olarak Paragenesis BN/CNT'ler hibrit. Malzeme Kimyası Dergisi A, 2018,6(47):24194-24200.

[80] DENG DR, BAI CD, XUE F, ve diğerleri. Li-S piller için ara katman olarak 2D malzemelerden yapılmış çok işlevli iyon elek. ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2019,11(12):11474-11480.

[81] SUN K, GUO PQ, SHANG XN, ve diğerleri. Oldukça kararlı lityum-kükürt piller için etkili polisülfit bariyeri olarak mezogözenekli bor karbon nitrür/grafen modifiyeli ayırıcılar. Elektroanalitik Kimya Dergisi, 2019,842:34-40.

[82] FAN Y, YANG Z, HUA WX, ve diğerleri. Hızlı ve uzun ömürlü lityum-kükürt piller için işlevselleştirilmiş bor nitrür nano tabakaları/grafen ara katmanı. Gelişmiş Enerji Malzemeleri, 2017,7(13):1602380.

[83] KIM PJH, SEO J, FU K, ve diğerleri. Oldukça kararlı lityum sülfür piller için BN-karbon ayırıcının sinerjik koruyucu etkisi. NPG Asia Materials, 2017,9(4):e375.

[84] PRAMANICK A, DEY PP, DAS P K. WEDM ile işlenmiş kıvılcım plazma sinterlenmiş bor karbürün mikroyapı, faz ve elektriksel iletkenlik analizleri. Uluslararası Seramik, 2020,46(3):2887-2894.

[85] YEGANEH M, SARAF HH, KAFI F, ve ark. Grafen benzeri bor karbürün titreşim, elektronik ve optik özelliklerinin incelenmesinin ilk prensipleri. Katı Hal İletişimi, 2020,305:113750.

[86] CHANG YK, SUN XH, MA MD, ve diğerleri. Enerji depolamada sert seramik B4C malzemelerinin uygulanması: Ultra yüksek döngülenebilirliğe sahip esnek, tamamen katı hal mikro süper kapasitörler için elektrotlar olarak B4C@C çekirdek kabuk nanopartiküllerini tasarlayın. Nano Enerji, 2020,75:104947.

[87] LUO L, CHUNG SH, ASL HY, ve diğerleri. Bor karbür nanotellerle yapılandırılmış iki işlevli katot alt katmanına sahip uzun ömürlü lityum kükürt piller. Gelişmiş Malzemeler, 2018,30(39):1804149.

[88] SONG NN, GAO Z, ZHANG YY, ve diğerleri. B4C nanoiskelet özellikli, esnek lityum-kükürt piller. Nano Enerji, 2019,58:30-39.

[89] ZHANG RH, CHI C, WU MC, ve diğerleri. İyi dağıtılmış B4C nanopartikülleri ile süslenmiş aktif pamuk elyaflarından yapılmış bir katot tarafından etkinleştirilen uzun ömürlü bir Li-S pil. Güç Kaynakları Dergisi, 2020,451:227751.