लिथियम-सल्फर बैटरी में बोरॉन-आधारित सामग्री

लिथियम-सल्फर बैटरी में बोरान-आधारित सामग्रियों की हालिया प्रगति

लेखक:एलआई गौरान, एलआई होंगयांग, ज़ेंग हाइबो

उन्नत प्रदर्शन सामग्री और उपकरणों की एमआईआईटी प्रमुख प्रयोगशाला, नैनो ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सामग्री संस्थान, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग स्कूल, नानजिंग विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, नानजिंग 210094

अमूर्त

लिथियम-सल्फर (Li-S) बैटरियां अपने उच्च ऊर्जा घनत्व और कम लागत के कारण अगली पीढ़ी की इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकी के विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं। हालाँकि, उनका व्यावहारिक अनुप्रयोग अभी भी सुस्त गतिकी और रूपांतरण प्रतिक्रियाओं की कम उत्क्रमणीयता से बाधित है, जो अपेक्षाकृत कम व्यावहारिक क्षमता, कूलम्बिक अक्षमता और साइकिल चालन अस्थिरता में योगदान देता है। इस संबंध में, प्रवाहकीय, सोखने योग्य और उत्प्रेरक कार्यात्मक सामग्रियों का तर्कसंगत डिजाइन सल्फर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को स्थिर करने और बढ़ावा देने के लिए एक महत्वपूर्ण मार्ग प्रस्तुत करता है। बोरॉन की अद्वितीय परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं से लाभान्वित होकर, बोरॉन-आधारित सामग्री विविध और ट्यून करने योग्य भौतिक, रासायनिक और विद्युत रासायनिक गुणों का प्रदर्शन करती है, और ली-एस बैटरी में व्यापक शोध ध्यान प्राप्त किया है। यह पेपर ली-एस बैटरियों में बोरोफिन, बोरान परमाणु-डोप्ड कार्बन, धातु बोराइड और गैर-धातु बोराइड सहित बोरॉन-आधारित सामग्रियों की हालिया शोध प्रगति की समीक्षा करता है, शेष समस्याओं का निष्कर्ष निकालता है और भविष्य के विकासशील परिप्रेक्ष्य का प्रस्ताव करता है।

कीवर्ड:लिथियम-सल्फर बैटरी, बोराइड, रासायनिक डोपिंग, बोरोफीन, शटल प्रभाव, समीक्षा

हरित नवीकरणीय ऊर्जा का विकास करना, उन्नत ऊर्जा रूपांतरण और भंडारण विधियों का विकास करना और एक कुशल और स्वच्छ ऊर्जा प्रणाली स्थापित करना आज की दुनिया में ऊर्जा संकट और जलवायु परिवर्तन से निपटने के लिए अपरिहार्य विकल्प हैं। बैटरियों द्वारा प्रस्तुत इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा भंडारण तकनीक, नई स्वच्छ ऊर्जा को परिवर्तित और संग्रहीत कर सकती है और इसे अधिक कुशल और सुविधाजनक रूप में उपयोग कर सकती है, जो हरित ऊर्जा अर्थव्यवस्था और सतत विकास को बढ़ावा देने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है [1,2]। कई बैटरी प्रौद्योगिकियों में, लिथियम-आयन बैटरियों में उच्च ऊर्जा घनत्व और कोई मेमोरी प्रभाव नहीं होने के फायदे हैं। 1991 में इसके व्यावसायीकरण के बाद से इसने तेजी से विकास हासिल किया है, और इसका व्यापक रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, राष्ट्रीय रक्षा और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया गया है [3,4]। हालाँकि, विद्युत उपकरणों के निरंतर विकास के साथ, पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरियाँ बढ़ती ऊर्जा माँग को पूरा करने में असमर्थ रही हैं। इस पृष्ठभूमि में, लिथियम-सल्फर बैटरियों ने अपनी उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता (1675 एमएएच·जी-1) और ऊर्जा घनत्व (2600 Wh∙kg-1) के कारण व्यापक ध्यान आकर्षित किया है। साथ ही, सल्फर संसाधन प्रचुर मात्रा में, व्यापक रूप से वितरित, कम कीमत वाले और पर्यावरण के अनुकूल हैं, जिससे लिथियम-सल्फर बैटरी हाल के वर्षों में नई माध्यमिक बैटरी के क्षेत्र में एक अनुसंधान हॉटस्पॉट बन गई है [5,6]।

1 लिथियम-सल्फर बैटरियों का कार्य सिद्धांत और मौजूदा समस्याएं

लिथियम-सल्फर बैटरियां आमतौर पर सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में मौलिक सल्फर और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में धात्विक लिथियम का उपयोग करती हैं। मूल बैटरी संरचना चित्र 1(ए) में दिखाई गई है। इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया एक बहु-चरण रूपांतरण प्रतिक्रिया प्रक्रिया है जिसमें कई इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण शामिल होते हैं, जिसमें ठोस-तरल चरण संक्रमण और लिथियम पॉलीसल्फाइड मध्यवर्ती की एक श्रृंखला होती है (चित्रा 1 (बी)) [7,8]। उनमें से, प्रतिक्रिया श्रृंखला के दोनों सिरों पर स्थित मौलिक सल्फर और शॉर्ट-चेन Li2S2/Li2S इलेक्ट्रोलाइट में अघुलनशील होते हैं और इलेक्ट्रोड सतह पर अवक्षेपण के रूप में मौजूद होते हैं। लंबी-श्रृंखला लिथियम पॉलीसल्फाइड (Li2Sx, 4 से कम या x के बराबर या 8 से कम या उसके बराबर) में इलेक्ट्रोलाइट में उच्च घुलनशीलता और प्रवासन क्षमता होती है। इलेक्ट्रोड सामग्री के आंतरिक गुणों और उनके ठोस-तरल चरण परिवर्तन प्रतिक्रिया तंत्र के आधार पर, लिथियम-सल्फर बैटरियों में ऊर्जा और लागत लाभ होते हैं, लेकिन उन्हें कई समस्याओं और चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है [9,10,11,12]:

चित्र 1 (ए) लिथियम-सल्फर बैटरी कॉन्फ़िगरेशन और (बी) संबंधित चार्ज-डिस्चार्ज प्रक्रिया का योजनाबद्ध आरेख [7]

1) ठोस-चरण मौलिक सल्फर और Li2S इलेक्ट्रोड सतह पर जमा होते हैं, और उनके आंतरिक इलेक्ट्रॉन और आयन जड़ता से चार्ज ट्रांसमिशन और धीमी प्रतिक्रिया गतिशीलता में कठिनाई होती है, जिससे सक्रिय सामग्रियों की उपयोग दर और बैटरी की वास्तविक क्षमता कम हो जाती है।

2) प्रतिक्रिया श्रृंखला के दोनों सिरों पर सल्फर और Li2S के बीच एक बड़ा घनत्व अंतर है (2.07 बनाम 1.66 g∙cm-3)। प्रतिक्रिया प्रक्रिया के दौरान सामग्री में 80% तक की मात्रा में परिवर्तन का अनुभव होता है, और इलेक्ट्रोड की यांत्रिक संरचनात्मक स्थिरता को बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।

3) इलेक्ट्रोलाइट में लिथियम पॉलीसल्फाइड का विघटन और प्रवासन व्यवहार एक गंभीर "शटल प्रभाव" का कारण बनता है, जिसके परिणामस्वरूप गंभीर सक्रिय सामग्री हानि और कूलम्ब हानि होती है। इसके अलावा, लिथियम पॉलीसल्फाइड एनोड सतह पर रासायनिक/इलेक्ट्रोकेमिकल साइड प्रतिक्रियाओं में भाग लेता है, जो न केवल सक्रिय सामग्रियों के और अधिक नुकसान का कारण बनता है, बल्कि एनोड सतह को निष्क्रिय और संक्षारित करता है, लिथियम डेंड्राइट्स के गठन और विकास को बढ़ाता है, और सुरक्षा जोखिम बढ़ाता है।

ये समस्याएं आपस में जुड़ी हुई हैं और एक-दूसरे को प्रभावित करती हैं, जिससे बैटरी प्रणाली की जटिलता काफी बढ़ जाती है, जिससे वर्तमान लिथियम-सल्फर बैटरियों के लिए सक्रिय सामग्री उपयोग, वास्तविक ऊर्जा घनत्व, चक्र स्थिरता और सुरक्षा के संदर्भ में व्यावहारिक अनुप्रयोगों की जरूरतों को पूरा करना मुश्किल हो जाता है। . उपरोक्त समस्याओं के विश्लेषण से यह देखा जा सकता है कि सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया प्रक्रिया का उचित नियंत्रण लिथियम-सल्फर बैटरी के प्रदर्शन को बेहतर बनाने का एकमात्र तरीका है। सल्फर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री का प्रभावी प्रबंधन और सुधार कैसे प्राप्त किया जाए यह उन्नत कार्यात्मक सामग्रियों के लक्षित डिजाइन, विकास और अनुप्रयोग पर निर्भर करता है। उनमें से, सबसे अधिक प्रतिनिधि रणनीति सल्फर कैथोड होस्ट या संशोधित विभाजक के रूप में प्रवाहकीय, सोखना और उत्प्रेरक गुणों के साथ कार्यात्मक सामग्री विकसित करना है। लिथियम पॉलीसल्फाइड के साथ अपने भौतिक और रासायनिक संपर्क के माध्यम से, सक्रिय सामग्री सकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षेत्र तक ही सीमित है, विघटन और प्रसार को रोकती है, और इसके विद्युत रासायनिक रूपांतरण को बढ़ावा देती है। जिससे शटल प्रभाव कम हो गया और बैटरी की ऊर्जा दक्षता और चक्र स्थिरता में सुधार हुआ [13,14]। इस विचार के आधार पर, शोधकर्ताओं ने लक्षित तरीके से विभिन्न प्रकार की कार्यात्मक सामग्री विकसित की है, जिसमें कार्बन सामग्री, प्रवाहकीय पॉलिमर, धातु कार्बनिक ढांचे, धातु ऑक्साइड/सल्फाइड/नाइट्राइड इत्यादि शामिल हैं। अच्छे परिणाम प्राप्त हुए हैं [15,16,17, 18,19]।

2 लिथियम-सल्फर बैटरियों में बोरान-आधारित सामग्रियों का अनुप्रयोग

बोरान सबसे छोटा उपधातु तत्व है। इसकी छोटी परमाणु त्रिज्या और बड़ी इलेक्ट्रोनगेटिविटी धात्विक सहसंयोजक यौगिकों को बनाना आसान बनाती है। बोरान परमाणुओं में एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉन-कमी वाली संरचना होती है, और उनका वैलेंस इलेक्ट्रॉन विन्यास 2s22p1 है। वे बहु-केंद्र बांड बनाने के लिए विभिन्न संकरण रूपों के माध्यम से एक या एक से अधिक इलेक्ट्रॉनों को अन्य परमाणुओं के साथ साझा कर सकते हैं [20,21]। ये विशेषताएँ बोराइड संरचना को अत्यधिक ट्यून करने योग्य बनाती हैं, जो अद्वितीय और समृद्ध रासायनिक और भौतिक गुणों को दर्शाती हैं, और प्रकाश उद्योग, निर्माण सामग्री, राष्ट्रीय रक्षा, ऊर्जा, आदि जैसे कई क्षेत्रों में व्यापक रूप से उपयोग की जा सकती हैं। [22,23]। इसकी तुलना में, लिथियम-सल्फर बैटरियों में बोरान-आधारित सामग्रियों पर शोध अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है। हाल के वर्षों में, नैनोटेक्नोलॉजी और लक्षण वर्णन विधियों में प्रगति जारी रही है, और बोरॉन-आधारित सामग्रियों की संरचनात्मक विशेषताओं का लगातार पता लगाया और विकसित किया गया है, जिससे लिथियम-सल्फर प्रणालियों में उनके लक्षित अनुसंधान और अनुप्रयोग भी उभरने लगे हैं। इसे देखते हुए, यह लेख विशिष्ट बोरॉन-आधारित सामग्रियों जैसे बोरोफेन, बोरॉन परमाणु-डोपेड कार्बन, धातु बोराइड और गैर-धातु बोराइड पर केंद्रित है। यह लेख लिथियम-सल्फर बैटरियों में नवीनतम शोध प्रगति की समीक्षा करता है, मौजूदा समस्याओं का सारांश देता है और भविष्य के विकास दिशाओं की आशा करता है।

2.1 बोरीन

बोरॉन तत्वों के बीच एक बहुत ही प्रतिनिधि एलोट्रोप के रूप में, बोरोफीन में ग्राफीन के समान एक एकल-परमाणु-मोटी दो-आयामी संरचना होती है। थोक बोरॉन तत्व की तुलना में, यह बेहतर विद्युत, यांत्रिक और थर्मल गुणों को दर्शाता है और द्वि-आयामी सामग्रियों में एक उभरता हुआ सितारा है [24]। बोरॉन परमाणुओं की व्यवस्था में टोपोलॉजिकल अंतर के आधार पर, बोरोफीन में समृद्ध क्रिस्टल संरचनाएं और इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं, साथ ही अनिसोट्रोपिक प्रवाहकीय गुण भी होते हैं। जैसा कि चित्र 2(ए, बी) से देखा जा सकता है, बोरोफीन में इलेक्ट्रॉन बोरॉन परमाणुओं के शीर्ष पर केंद्रित होते हैं, और इन इलेक्ट्रॉन ध्रुवीकरण क्षेत्रों में उच्च बंधन गतिविधि होती है। इससे लिथियम-सल्फर बैटरी सिस्टम [25] में पॉलीसल्फाइड्स के लिए अच्छे रासायनिक सोखने वाले स्थान उपलब्ध होने की उम्मीद है। साथ ही, बोरोफेन फिल्म में अच्छी विद्युत चालकता और भौतिक और रासायनिक स्थिरता होती है, इसलिए इसमें लिथियम-सल्फर बैटरी में अच्छी अनुप्रयोग क्षमता होती है।

चित्र 2 (ए) विभिन्न बोरोफेन के संरचनात्मक मॉडल और उनके संबंधित चार्ज घनत्व वितरण, (बी) विभिन्न बोरोफेन पर पॉलीसल्फाइड की सोखना ऊर्जा [25]

जियांग एट अल. [26] सैद्धांतिक गणनाओं के माध्यम से पाया गया कि बोरोफीन लिथियम पॉलीसल्फाइड के लिए मजबूत सोखने की क्षमता दिखाता है। हालाँकि, यह मजबूत अंतःक्रिया आसानी से ली-एस समूहों के अपघटन को ट्रिगर कर सकती है, जिसके परिणामस्वरूप सक्रिय सामग्री सल्फर का नुकसान हो सकता है। इसकी तुलना में, आंतरिक दोष संरचना के साथ बोरोफीन की सतह लिथियम पॉलीसल्फाइड को अधिक धीरे से सोखती है [27], जो रिंग संरचना के अपघटन और विनाश से बचते हुए शटल व्यवहार को सीमित करने की अनुमति देती है। इसके अधिक उपयुक्त लिथियम पॉलीसल्फाइड सोखने वाली सामग्री बनने की उम्मीद है। साथ ही, बोरोफेन-लिथियम पॉलीसल्फ़ाइड सोखना संरचना के ऊर्जा बैंड विश्लेषण परिणाम बताते हैं कि सोखना क्लस्टर धात्विक हैं, जो मुख्य रूप से बोरान की आंतरिक धात्विक विशेषताओं और इसकी मजबूत इलेक्ट्रोकॉस्टिक युग्मन शक्ति के कारण है। इससे बेहतर प्रतिक्रिया गतिकी प्राप्त करने के लिए सल्फर की विद्युत रासायनिक रूपांतरण प्रक्रिया में मदद मिलने की उम्मीद है [28]। इसके अलावा, ग्रिक्स्टी एट अल। [29] बोरीन की सतह पर लिथियम पॉलीसल्फाइड अणुओं की प्रसार प्रक्रिया का अनुकरण किया गया। यह पाया गया कि बोरीन ने लिथियम पॉलीसल्फाइड की एक श्रृंखला में मजबूत सोखना दिखाया। आर्मचेयर दिशा में Li2S6 और Li2S4 अणुओं की सबसे कम प्रसार ऊर्जा बाधाएं क्रमशः 0.99 और 0.61 eV हैं, जो ज़िगज़ैग दिशा में प्रसार की तुलना में आसान है। इसकी अच्छी सोखने की क्षमता और मध्यम प्रसार ऊर्जा अवरोध के कारण, बोरीन को एक उत्कृष्ट लिथियम पॉलीसल्फाइड सोखना सामग्री माना जाता है, जिससे लिथियम-सल्फर बैटरी में शटल प्रभाव को दबाने और सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की उलटने की क्षमता में सुधार होने की उम्मीद है।

हालाँकि, लिथियम-सल्फर बैटरियों में बोरॉन कमजोर पड़ने पर अधिकांश वर्तमान शोध अभी भी सैद्धांतिक भविष्यवाणी चरण में हैं, और प्रयोगात्मक पुष्टि शायद ही कभी रिपोर्ट की जाती है। इसका मुख्य कारण बोरोन तनु तैयार करने में होने वाली कठिनाई है। बोरॉन के अस्तित्व की भविष्यवाणी 1990 के दशक में की गई थी, लेकिन यह वास्तव में 2015 तक तैयार नहीं हुआ था [30]। इसका एक कारण यह हो सकता है कि बोरॉन में केवल तीन वैलेंस इलेक्ट्रॉन होते हैं और गायब इलेक्ट्रॉनों की भरपाई के लिए एक रूपरेखा संरचना बनाने की आवश्यकता होती है, जिससे 2डी संरचना के बजाय 3डी संरचना बनाना आसान हो जाता है। वर्तमान में, बोरॉन की तैयारी आमतौर पर आणविक बीम एपिटेक्सी और उच्च वैक्यूम, उच्च तापमान और अन्य स्थितियों जैसी प्रौद्योगिकियों पर निर्भर करती है, और संश्लेषण सीमा उच्च है [31]। इसलिए, एक सरल और अधिक कुशल बोरॉन पतला संश्लेषण विधि विकसित करना आवश्यक है, और लिथियम-सल्फर बैटरी में इसके प्रभाव और संबंधित तंत्रों का प्रयोगात्मक रूप से पता लगाना और प्रदर्शित करना आवश्यक है।

2.2 बोरोन परमाणुओं ने कार्बन को डोप किया

नई ऊर्जा अनुसंधान के क्षेत्र में रासायनिक रूप से मिश्रित कार्बन सामग्री गर्म सामग्री हैं। उपयुक्त तत्व डोपिंग हल्के वजन और उच्च चालकता जैसे कार्बन सामग्रियों के लाभों को बरकरार रख सकती है, जबकि उन्हें विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के अनुकूल होने के लिए अतिरिक्त भौतिक और रासायनिक गुण प्रदान करती है [32,33]। लिथियम-सल्फर बैटरियों [34,35] में रासायनिक रूप से डोप की गई कार्बन सामग्री का व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, जिनमें नाइट्रोजन परमाणुओं जैसे अत्यधिक इलेक्ट्रोनगेटिव परमाणुओं के साथ डोपिंग अधिक आम है। इसके विपरीत, बोरॉन में इलेक्ट्रॉन की कमी वाली संरचना होती है और यह कार्बन की तुलना में कम विद्युत ऋणात्मक होता है। कार्बन जाली में समाहित होने के बाद यह विद्युत धनात्मक हो जाता है। इससे नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए पॉलीसल्फाइड आयनों पर एक अच्छा सोखने वाला प्रभाव बनने की उम्मीद है, जिससे शटल प्रभाव कम हो जाएगा [36,37]।

यांग एट अल. [38] बोरॉन-डोप्ड पोरस कार्बन का उपयोग सल्फर कैथोड होस्ट सामग्री के रूप में किया गया और पाया गया कि बोरान डोपिंग ने न केवल कार्बन सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक चालकता में सुधार किया, बल्कि कार्बन मैट्रिक्स के सकारात्मक ध्रुवीकरण को भी प्रेरित किया। नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए पॉलीसल्फाइड आयनों को इलेक्ट्रोस्टैटिक सोखना और लुईस इंटरेक्शन के माध्यम से प्रभावी ढंग से सोख लिया जाता है और स्थिर कर दिया जाता है, जिससे उनका विघटन और प्रसार रुक जाता है (चित्र 3(ए, बी))। इसलिए, बोरान-डोप्ड झरझरा कार्बन पर आधारित सल्फर कैथोड शुद्ध कार्बन और नाइट्रोजन-डोप्ड नमूनों की तुलना में उच्च प्रारंभिक क्षमता और अधिक स्थिर साइक्लिंग प्रदर्शन प्रदर्शित करता है। जू एट अल. [39] हाइड्रोथर्मल वन-पॉट विधि के माध्यम से बोरान परमाणु-डोप्ड कार्बन नैनोट्यूब/सल्फर मिश्रित कैथोड सामग्री (बीयूसीएनटी/एस) प्राप्त किया। तरल-चरण इन-सीटू संश्लेषण सल्फर को समग्र में अधिक समान रूप से वितरित करता है, जबकि बोरॉन डोपिंग कार्बन-आधारित मेजबान सामग्री को उच्च विद्युत चालकता और मजबूत सल्फर-फिक्सिंग क्षमता प्रदान करता है। परिणामी BUCNTs/S इलेक्ट्रोड ने 0.2C पर 1251 mAh∙g-1 की प्रारंभिक क्षमता प्राप्त की, और 400 चक्रों के बाद भी 750 mAh∙g-1 की क्षमता बनाए रख सकता है। सल्फर कैथोड होस्ट के अलावा, बोरान-डॉप्ड कार्बन सामग्री भी बैटरी कार्यात्मक विभाजकों के डिजाइन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। हान एट अल. [40] शटल प्रभाव को प्रभावी ढंग से कम करने और सक्रिय सामग्रियों की उपयोग दर में सुधार करने के लिए इसके सोखने और पॉलीसल्फाइड के पुन: उपयोग का उपयोग करके एक कार्यात्मक संशोधन परत का निर्माण करने के लिए एक पारंपरिक विभाजक पर लेपित हल्के बोरॉन-डॉप्ड ग्राफीन।

चित्र 3 (ए) बी-डॉप्ड कार्बन बैकबोन की योजना, (बी) विभिन्न तत्व-डॉप्ड झरझरा कार्बन पर आधारित सल्फर कंपोजिट का एस2पी एक्सपीएस स्पेक्ट्रा; और (सी) एनबीसीजीएन/एस कंपोजिट की चार्ज-डिस्चार्ज प्रक्रिया की योजना, (डी) 0.2सी पर साइकिल चलाना और (ई) विभिन्न तत्व-डोप्ड घुमावदार ग्राफीन नैनोरिबन्स के आधार पर सल्फर इलेक्ट्रोड का दर प्रदर्शन [44]

विभिन्न डोपिंग तत्वों के मूल गुणों और कार्बन जाली संरचना में उनकी कार्रवाई के विभिन्न तरीकों को ध्यान में रखते हुए, बहु-तत्व सह-डोपिंग कार्बन सामग्री की सतह रसायन विज्ञान को विनियमित करने और सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं में सुधार करने के लिए महत्वपूर्ण रणनीतियों में से एक है [41, 42, 43 ]. इस संबंध में, कुआंग के अनुसंधान समूह [44] ने सल्फर कैथोड के लिए मेजबान सामग्री के रूप में हाइड्रोथर्मल विधि के माध्यम से पहली बार नाइट्रोजन और बोरान सह-डोप्ड ग्राफीन नैनोरिबन्स (एनबीसीजीएन) को संश्लेषित किया, जैसा कि चित्र 3 (सी) में दिखाया गया है। अध्ययन में पाया गया कि नाइट्रोजन और बोरान सह-डोपिंग का सहक्रियात्मक प्रभाव न केवल एनबीसीजीएन को बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र, छिद्र मात्रा और उच्च चालकता प्राप्त करने के लिए प्रेरित करता है, बल्कि कैथोड में सल्फर को समान रूप से वितरित करने में भी मदद करता है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि बोरॉन और नाइट्रोजन सह-डोपित प्रणाली में इलेक्ट्रॉन-कमी वाले और इलेक्ट्रॉन-समृद्ध केंद्र के रूप में कार्य करते हैं। इसे लुईस इंटरैक्शन के माध्यम से क्रमशः Sx2- और Li+ के साथ जोड़ा जा सकता है, जिससे लिथियम पॉलीसल्फाइड को अधिक कुशलता से सोख लिया जाता है और बैटरी के चक्र और दर प्रदर्शन में उल्लेखनीय सुधार होता है (चित्र 3(डी, ई))। उच्च और निम्न इलेक्ट्रोनगेटिविटी तत्वों की समान डोपिंग रणनीतियों पर आधारित। जिन एट अल. [45] डोपेंट के रूप में बोरिक एसिड का उपयोग करके बोरान और ऑक्सीजन सह-डोपित बहु-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब होस्ट सामग्री तैयार की गई। परिणामी बैटरी 100 चक्रों के बाद भी 937 एमएएच∙जी-1 की विशिष्ट क्षमता बनाए रखती है, जो सामान्य कार्बन ट्यूब (428 एमएएच∙जी-1) पर आधारित बैटरी प्रदर्शन से काफी बेहतर है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने अन्य सह-डोपिंग रूपों को भी आज़माया है। बोरोसिलिकेट को-डोप्ड ग्राफीन [46], कोबाल्ट मेटल और बोरान नाइट्रोजन सह-डोप्ड ग्राफीन [47] आदि को शामिल करने से बैटरी के प्रदर्शन में प्रभावी ढंग से सुधार हुआ है। सह-डोपित घटकों का सहक्रियात्मक प्रभाव सल्फर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया को बेहतर बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

बोरॉन तत्व डोपिंग प्रभावी ढंग से कार्बन सामग्री की आंतरिक चालकता और सतह रासायनिक ध्रुवता में सुधार कर सकती है, रासायनिक सोखना को मजबूत कर सकती है और लिथियम पॉलीसल्फाइड के शट्लिंग व्यवहार को रोक सकती है, जिससे सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया कैनेटीक्स और स्थिरता में सुधार होता है, और बैटरी के प्रदर्शन में सुधार होता है। इसके बावजूद, लिथियम-सल्फर बैटरियों में बोरान-डोप्ड कार्बन सामग्री के अनुसंधान में अभी भी कई समस्याएं हैं, जिन्हें और अधिक तलाशने और विश्लेषण करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, कार्बन सामग्री के लिथियम पॉलीसल्फाइड की चालकता, सतह चार्ज वितरण और सोखना व्यवहार पर बोरॉन डोपिंग मात्रा और डोपिंग कॉन्फ़िगरेशन का प्रभाव। साथ ही, उच्च बोरान डोपिंग स्तर के साथ कार्बन सामग्री कैसे प्राप्त करें और डोपिंग कॉन्फ़िगरेशन को सटीक रूप से कैसे नियंत्रित करें, यह सब उन्नत तैयारी विधियों और प्रौद्योगिकियों के विकास पर निर्भर करता है। इसके अलावा, बहु-तत्व सह-डोपित प्रणालियों के लिए, अधिक उपयुक्त डोपिंग तत्व संयोजनों को अभी भी और तलाशने की आवश्यकता है। सह-डोपित संरचना के सहक्रियात्मक प्रभाव तंत्र और सल्फर इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री में मेजबान-अतिथि इंटरैक्शन के मोड और तीव्रता पर इसके प्रभाव को स्पष्ट करने के लिए एक व्यवस्थित संरचना-गतिविधि संबंध स्थापित करें।

2.3 धातु बोराइड्स

धातु यौगिक हमेशा अपनी आंतरिक रासायनिक ध्रुवता विशेषताओं और अच्छे रूपात्मक और संरचनात्मक प्लास्टिसिटी के कारण लिथियम-सल्फर बैटरी में कार्यात्मक सामग्रियों के लिए एक अनुसंधान हॉटस्पॉट रहे हैं। यह सामान्य धातु ऑक्साइड, सल्फाइड, नाइट्राइड और अन्य आयनिक यौगिकों से भिन्न है। धातु बोराइड आमतौर पर सहसंयोजक बंधों के आधार पर बोरान और धातु तत्वों से बने होते हैं, और उनकी भरी हुई संरचना धात्विकता का हिस्सा प्राप्त करती है। यह अन्य धातु यौगिकों की तुलना में बहुत अधिक चालकता प्रदर्शित करता है (चित्र 4) [48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56], और विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए इलेक्ट्रॉनों की तीव्र आपूर्ति प्रदान कर सकता है [57]। साथ ही, धातु और बोरॉन के बीच एक स्थानीय सीमित आयनिक बंधन ध्रुवीय संरचना होती है, जो पॉलीसल्फाइड्स के लिए अच्छी सोखना साइट प्रदान कर सकती है [58,59]। इसके अलावा, संक्रमण धातुओं के साथ मिश्रधातु के बाद अत्यधिक विद्युत ऋणात्मक बोरॉन की स्थिरता कमजोर हो जाती है, और रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग लेना आसान हो जाता है। इससे धातु बोराइड्स के लिए मध्यस्थ के रूप में सतह प्रतिक्रियाओं के माध्यम से लिथियम-सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं में भाग लेना संभव हो जाता है [60]।

चित्र 4 धातु यौगिकों की कई श्रेणियों के साथ चालकता तुलना[48,49,50,51,52,53,54,55,56]

गुआन एट अल. [61] तरल चरण कटौती विधि का उपयोग करके ग्राफीन पर अनाकार Co2B नैनोकणों को लोड करके सल्फर कैथोड के लिए एक मेजबान सामग्री तैयार की। अध्ययनों में पाया गया है कि बोरॉन और कोबाल्ट दोनों ही लिथियम पॉलीसल्फाइड को रासायनिक रूप से स्थिर करने के लिए सोखने वाली जगहों के रूप में काम कर सकते हैं, जिससे इसके विघटन और प्रवासन में बाधा आती है। ग्राफीन की उत्कृष्ट लंबी दूरी की चालकता के साथ, बैटरी में अभी भी 1C दर पर 45{7}} चक्रों के बाद 758 mAh·g-1 की डिस्चार्ज विशिष्ट क्षमता है, और प्रति चक्र क्षमता क्षय दर { है {26}}.029%, उत्कृष्ट चक्र प्रदर्शन दिखा रहा है। समान सहक्रियात्मक सोखना प्रभाव के आधार पर, लिथियम-सल्फर बैटरी के लिए एक कार्यात्मक विभाजक के रूप में उपयोग की जाने वाली Co2B@CNT मिश्रित सामग्री की सोखने की क्षमता Li2S6 है जो 11.67 mg∙m-2 [62] तक है, जो कर सकती है पॉलीसल्फाइड्स के प्रसार और प्रवेश को प्रभावी ढंग से अवरुद्ध करें और शटल प्रभाव को रोकने के उद्देश्य को प्राप्त करें। इस आधार पर, गुआन एट अल. [63] आगे Co2B@MXene हेटेरोजंक्शन मिश्रित सामग्री तैयार करने के लिए वाहक के रूप में द्वि-आयामी धातु कार्बाइड (एमएक्सईएन) का उपयोग किया गया (चित्र 5(ए~डी))। सैद्धांतिक गणना के माध्यम से, यह पाया गया कि हेटेरोजंक्शन इंटरफ़ेस पर इलेक्ट्रॉनिक इंटरैक्शन से Co2B से MXene में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है। यह प्रभाव पॉलीसल्फाइड्स के लिए Co2B के सोखने और उत्प्रेरक क्षमता में सुधार करता है (चित्र 5(ए, बी))। इसलिए, 2000 चक्रों के दौरान Co2B@MXene कार्यात्मक रूप से संशोधित विभाजक पर आधारित बैटरी की क्षमता लुप्त होने की दर केवल 0.0088% प्रति चक्र है। और 5.1 मिलीग्राम∙सेमी-2 के सल्फर लोडिंग पर, विशिष्ट क्षमता अभी भी 5.2 एमएएच∙सेमी-2 जितनी अधिक है (चित्र 5(सी, डी))। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि क्रिस्टलीय चरण संरचनाओं की तुलना में, इस प्रकार की अनाकार चरण धातु बोराइड सामग्री सामग्री तैयार करने में नरम और सरल होती है। हालाँकि, इसकी परमाणु और आणविक संरचना की नियंत्रणीयता और स्थिरता अपेक्षाकृत खराब है, जो इसके घटकों और सूक्ष्म संरचना को स्पष्ट करने और सल्फर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया प्रक्रिया पर इसके प्रभाव तंत्र की खोज करने में एक बड़ी बाधा उत्पन्न करती है।

चित्र 5 (ए) Co2B और Co2B@MXene सतहों पर Li2S4 सोखना विन्यास, (बी) Co2B और MXene के बीच इंटरफेस पर इलेक्ट्रॉन पुनर्वितरण की योजना, (सी) Co2B@MXene और अन्य विभाजकों के आधार पर कोशिकाओं का चक्रण प्रदर्शन, ( घ) Co2B@MXene सेल का दीर्घकालिक साइक्लिंग प्रदर्शन[63]; (ई) टीआईबी2 पर पॉलीसल्फाइड्स के सतह-रासायनिक फंसाव का योजनाबद्ध चित्रण, (एफ) सोखना विन्यास और (जी) टीआईबी2 की (001) और (111) सतहों पर सल्फर प्रजातियों की ऊर्जा, (एच) उच्च-लोडिंग प्रदर्शन और (आई) ) TiB2-आधारित सल्फर इलेक्ट्रोड की लंबी अवधि की साइकिलिंग[63,65]

TiB2 उत्कृष्ट विद्युत चालकता (~106 S∙cm-1) के साथ एक क्लासिक धातु बोराइड है और इसका व्यापक रूप से प्रवाहकीय सिरेमिक, सटीक मशीनिंग और इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरणों जैसे क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। TiB2 में एक विशिष्ट हेक्सागोनल संरचना होती है और इसमें उच्च कठोरता और संरचनात्मक लोच होती है, जो सल्फर प्रतिक्रिया के मात्रा परिवर्तन के अनुकूल होने में मदद करती है। साथ ही, इसकी सतह पर बड़ी संख्या में असंतृप्त संरचनाओं से लिथियम पॉलीसल्फाइड [64] के साथ एक मजबूत इंटरफेशियल रासायनिक संपर्क बनने की उम्मीद है, जिससे अच्छा सोखना और कारावास प्रभाव प्राप्त होगा। ली एट अल. [65] पहली बार बताया गया कि TiB2 का उपयोग सल्फर कैथोड के लिए एक मेजबान सामग्री के रूप में किया गया था। जैसा कि चित्र 5(ई~जी) में दिखाया गया है, एस के साथ थर्मल कंपाउंडिंग प्रक्रिया के दौरान, टीआईबी2 की सतह आंशिक रूप से सल्फरयुक्त होती है। प्रतिक्रिया के दौरान उत्पादित लिथियम पॉलीसल्फाइड को वैन डेर वाल्स बलों और लुईस एसिड-बेस इंटरैक्शन के माध्यम से प्रभावी ढंग से सोख लिया जाता है, और इस तंत्र का प्रभाव (001) सतह पर अधिक महत्वपूर्ण होता है। प्राप्त सल्फर कैथोड ने 1C दर पर 500 चक्रों का एक स्थिर चक्र प्राप्त किया, और साथ ही, 3.9 मिलीग्राम∙सेमी{{19) के सल्फर लोडिंग पर 100 चक्रों के बाद भी विशिष्ट क्षमता 3.3 एमएएच∙सेमी-2 बरकरार रखी। }}. अच्छा इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन दिखाया (चित्रा 5(एच, आई))। एक्सपीएस विश्लेषण और सैद्धांतिक गणना के परिणामों के आधार पर, TiB2 के उत्कृष्ट लिथियम पॉलीसल्फाइड सोखने के प्रभाव को इसकी सतह "निष्क्रियता" तंत्र के लिए जिम्मेदार ठहराया जाना चाहिए। इसके अलावा, लू के शोध समूह [66] ने लिथियम पॉलीसल्फाइड पर TiB2, TiC और TiO2 के सोखने के प्रभावों की तुलना की और संबंधित रासायनिक सोखना और सॉल्वेशन डिसोर्प्शन के बीच प्रतिस्पर्धा तंत्र का पता लगाया। नतीजे बताते हैं कि कम इलेक्ट्रोनगेटिविटी वाला बोरॉन TiB2 को मजबूत सोखने की क्षमता बनाता है, और कमजोर सॉल्वेशन क्षमता वाले ईथर इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिलकर, यह प्रभावी ढंग से सल्फर उपयोग में सुधार कर सकता है और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की उलटने की क्षमता को बढ़ा सकता है। इसे देखते हुए, TiB2 का उपयोग मल्टीफंक्शनल सेपरेटर्स [67] के निर्माण के लिए भी किया गया है, जो सक्रिय सामग्रियों को कुशलतापूर्वक सोखता है, जोड़ता है और पुन: उपयोग करता है, जिससे बैटरी चक्र स्थिरता में काफी सुधार होता है। क्षमता 0.5C पर 300 चक्रों के बाद प्रारंभिक मूल्य का 85% बनाए रख सकती है।

TiB2 के समान, MoB में अच्छी चालकता है, और इसकी आंतरिक द्वि-आयामी संरचना सोखने वाली साइटों को पूरी तरह से उजागर करने के लिए अनुकूल है, और एक अच्छा सल्फर कैथोड उत्प्रेरक बनने की उम्मीद है [68]। ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय में मंथिरम अनुसंधान समूह [69] ने एसएन को एक कम करने वाले एजेंट के रूप में इस्तेमाल किया और एक ठोस-चरण विधि के माध्यम से एमओबी नैनोकणों को संश्लेषित किया, जिसने लिथियम पॉलीसल्फाइड के लिए अच्छा सोखना और उत्प्रेरक क्षमताएं दिखाईं। MoB में उच्च इलेक्ट्रॉनिक चालकता (1.7×105 S∙m-1) ​​है, जो सल्फर प्रतिक्रियाओं के लिए इलेक्ट्रॉनों की तीव्र आपूर्ति प्रदान कर सकती है; साथ ही, MoB के हाइड्रोफिलिक सतह गुण इलेक्ट्रोलाइट गीला करने के लिए अनुकूल हैं और लिथियम आयनों के तेजी से परिवहन में मदद करते हैं। यह कम इलेक्ट्रोलाइट परिस्थितियों में सक्रिय सामग्रियों का उपयोग सुनिश्चित करता है; इसके अलावा, नैनोसाइज्ड एमओबी इलेक्ट्रॉन-कमी वाले बोरान परमाणुओं से प्रेरित उत्प्रेरक सक्रिय साइटों को पूरी तरह से उजागर कर सकता है, जिससे सामग्री को उत्कृष्ट आंतरिक और स्पष्ट उत्प्रेरक गतिविधि दोनों की अनुमति मिलती है। इन फायदों के आधार पर, भले ही MoB को थोड़ी मात्रा में जोड़ा जाए, यह इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है और काफी व्यावहारिकता दिखा सकता है। परिणामी बैटरी की क्षमता 1C दर पर 1,{13}} चक्रों के बाद प्रति चक्र केवल 0.03% क्षीण होती है। और 3.5 मिलीग्राम∙सेमी-2 की सल्फर लोडिंग और 4.5 एमएल∙जी-1 के इलेक्ट्रोलाइट/सल्फर अनुपात (ई/एस) पर, उत्कृष्ट सॉफ्ट-पैकेज बैटरी चक्र प्रदर्शन हासिल किया गया। इसके अलावा, नज़र अनुसंधान समूह [70] ने लिथियम पॉलीसल्फाइड के लिए विद्युत रासायनिक रूपांतरण माध्यम के रूप में हल्के एमजीबी2 का उपयोग किया। यह पाया गया कि बी और एमजी दोनों पॉलीसल्फ़ाइड आयनों के लिए सोखने वाली साइटों के रूप में काम कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को मजबूत कर सकते हैं, और उच्च सल्फर लोडिंग (9.3 मिलीग्राम∙सेमी-2) पर बेहतर साइकिलिंग स्थिरता प्राप्त कर सकते हैं।

ये कार्य सल्फर इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं को बेहतर बनाने में धातु बोराइड्स की प्रभावशीलता और श्रेष्ठता को पूरी तरह से दर्शाते हैं। हालाँकि, धातु ऑक्साइड और सल्फाइड जैसी प्रणालियों की तुलना में, लिथियम-सल्फर बैटरी में धातु बोराइड पर अभी भी अपेक्षाकृत कम शोध रिपोर्टें हैं, और सामग्री और संबंधित तंत्र पर शोध को भी विस्तारित और गहरा करने की आवश्यकता है। इसके अलावा, क्रिस्टलीय धातु बोराइड्स में आमतौर पर उच्च संरचनात्मक ताकत होती है, और तैयारी प्रक्रिया में उच्च ऊर्जा बाधाओं को पार करने और उच्च तापमान, उच्च दबाव और अन्य कठोर परिस्थितियों को शामिल करने की आवश्यकता होती है, जो उनके अनुसंधान और अनुप्रयोग को सीमित करती है। इसलिए, सरल, सौम्य और कुशल धातु बोराइड संश्लेषण विधियों का विकास भी धातु बोराइड अनुसंधान में एक महत्वपूर्ण दिशा है।

2.4 गैर-धातु बोराइड्स

धातु बोराइड की तुलना में, गैर-धातु बोराइड आमतौर पर कम घने और हल्के होते हैं, जो उच्च-ऊर्जा-घनत्व बैटरी के विकास के लिए फायदेमंद है; हालाँकि, उनकी कम चालकता सल्फर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दक्षता और गतिशीलता के लिए प्रतिरोध पैदा करती है। वर्तमान में, शोधकर्ताओं ने बोरान नाइट्राइड, बोरान कार्बाइड, बोरान फॉस्फाइड और बोरान सल्फाइड [71, 72, 73] सहित गैर-धातु बोराइड्स पर आधारित लिथियम-सल्फर बैटरी के लिए सल्फर-फिक्सिंग सामग्री के निर्माण में कुछ प्रगति की है।

बोरोन नाइट्राइड (बीएन) और बोरोन कार्बाइड (बीसी) दो सबसे अधिक प्रतिनिधि और व्यापक रूप से अध्ययन किए गए गैर-धातु बोराइड हैं। बीएन नाइट्रोजन परमाणुओं और बोरान परमाणुओं से बारी-बारी से जुड़ा हुआ है, और इसमें मुख्य रूप से चार क्रिस्टल रूप शामिल हैं: हेक्सागोनल, ट्राइगोनल, क्यूबिक और ल्यूराइट [74]। उनमें से, हेक्सागोनल बोरान नाइट्राइड (एच-बीएन) अपनी ग्रेफाइट जैसी द्वि-आयामी संरचना और स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनिक ध्रुवीकरण विशेषताओं [75,76] के कारण व्यापक बैंडगैप, उच्च तापीय चालकता और अच्छी तापीय और रासायनिक स्थिरता जैसी विशेषताओं को प्रदर्शित करता है। बीएन संरचना में स्पष्ट ध्रुवीय विशेषताएं हैं और इसमें लिथियम पॉलीसल्फाइड के लिए मजबूत रासायनिक सोखने की क्षमता है। साथ ही, सतह की रासायनिक विशेषताओं को तत्व डोपिंग और टोपोलॉजिकल दोष निर्माण के माध्यम से नियंत्रित किया जा सकता है ताकि इसकी सोखने की शक्ति में सुधार करते हुए पॉलीसल्फ़ाइड आणविक संरचना की स्थिरता सुनिश्चित की जा सके [77]। इस विचार के आधार पर, यी एट अल। [78] ने सल्फर कैथोड के लिए एक मेजबान सामग्री के रूप में नाइट्रोजन-गरीब कुछ-परत बोरॉन नाइट्राइड (वी-बीएन) की सूचना दी (चित्रा 6 (ए))। अध्ययनों में पाया गया है कि वी-बीएन में इलेक्ट्रोपोसिटिव रिक्तियां न केवल पॉलीसल्फाइड को ठीक करने और बदलने में मदद करती हैं, बल्कि लिथियम आयनों के प्रसार और प्रवासन को भी तेज करती हैं। मूल बीएन की तुलना में, वी-बीएन-आधारित कैथोड की प्रारंभिक क्षमता 0.1C (1262 बनाम 775 mAh∙g-1) पर अधिक है, और 5{{24} के बाद क्षमता क्षय दर है }1C पर 0 चक्र प्रति चक्र केवल 0.084% है। अच्छी साइकिलिंग स्थिरता प्रदर्शित करता है। इसके अलावा, वह एट अल. [79] पाया गया कि ओ डोपिंग बीएन सतह की रासायनिक ध्रुवता में और सुधार कर सकता है, सामग्री को एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र बनाने के लिए प्रेरित कर सकता है, और साथ ही आंतरिक और स्पष्ट सोखना गुणों में सुधार कर सकता है।

चित्र 6 (ए) टीईएम छवि और वी-बीएन की योजनाबद्ध परमाणु संरचना [78]; (बी) जी-सी3एन4/बीएन/ग्राफीन मिश्रित आयन-छलनी की योजना और (सी) संबंधित ली-एस सेल साइक्लिंग प्रदर्शन [80]; (डी) बीएन/सेलगार्ड/कार्बन ट्राइलेयर सेपरेटर की योजनाबद्ध और ऑप्टिकल छवि, और (ई) संबंधित सेल साइक्लिंग प्रदर्शन [83]; (एफ) योजना और (जी) बी4सी@सीएनएफ की एसईएम छवि और बी4सी नैनोवायर का मॉडल, (एच) बी4सी के विभिन्न पहलुओं पर ली2एस4 सोखना ऊर्जा [87]

यद्यपि बीएन सामग्री में अच्छे रासायनिक सोखने के गुण हैं, लेकिन इसकी स्वयं की खराब चालकता प्रतिक्रियाशील चार्ज हस्तांतरण के लिए अनुकूल नहीं है। इसलिए, प्रवाहकीय सामग्रियों के साथ मिश्रित संरचनाओं का डिज़ाइन उनके व्यापक सोखना और उत्प्रेरक प्रदर्शन को और बेहतर बनाने का एक महत्वपूर्ण तरीका है। इसे देखते हुए, डेंग एट अल। [80] ने लिथियम-सल्फर बैटरियों के लिए एक बहुक्रियाशील मध्यवर्ती परत के रूप में ग्रेफाइट जैसे कार्बन नाइट्राइड (जी-सी3एन4), बीएन और ग्राफीन पर आधारित एक मिश्रित आयन छलनी डिजाइन की है (चित्र 6(बी))। उनमें से, जी-सी3एन4 संरचना में 0.3 एनएम आकार के आदेशित आयन चैनल प्रभावी रूप से पॉलीसल्फाइड को अवरुद्ध कर सकते हैं और लिथियम आयनों को गुजरने की अनुमति दे सकते हैं। बीएन पॉलीसल्फाइड्स के रूपांतरण को बढ़ावा देने के लिए एक प्रतिक्रिया उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, और ग्राफीन उत्कृष्ट लंबी दूरी की चालकता प्रदान करने के लिए एक अंतर्निहित वर्तमान कलेक्टर के रूप में कार्य करता है। . इन तीन द्वि-आयामी घटकों के सहक्रियात्मक प्रभाव के लिए धन्यवाद, परिणामी बैटरी 6 मिलीग्राम∙सेमी-2 की उच्च सल्फर लोडिंग और 1C की दर पर 5{35}}0 से अधिक चक्रों तक स्थिर रूप से चक्र कर सकती है। (चित्र 6(सी)). इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने कैथोड की सतह पर एक सरल और अधिक प्रत्यक्ष रूप में एक सुरक्षात्मक परत के रूप में बीएन नैनोशीट/ग्राफीन मिश्रित फिल्म की एक पतली परत लगाने की कोशिश की है [81,82]। यह प्रभावी रूप से लिथियम पॉलीसल्फाइड के विघटन और प्रसार को रोकता है और सल्फर कैथोड की विशिष्ट क्षमता और चक्र स्थिरता में काफी सुधार करता है। 3C पर 1000 चक्रों के दौरान, क्षमता क्षीणन दर केवल 0.0037% प्रति चक्र है। दिलचस्प बात यह है कि हनयांग विश्वविद्यालय [83] में उन्ग्यु पाइक अनुसंधान समूह ने बीएन/सेलगार्ड/कार्बन सैंडविच संरचना के साथ एक बहुक्रियाशील विभाजक के निर्माण के लिए विचारों का एक और संयोजन अपनाया। जैसा कि चित्र 6(डी) में दिखाया गया है, कार्बोनेसियस परत और बीएन परत क्रमशः साधारण विभाजक के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्षों पर लेपित होते हैं। उनमें से, कार्बन परत और बीएन परत संयुक्त रूप से लिथियम पॉलीसल्फाइड के शटल को अवरुद्ध कर सकती है और नकारात्मक इलेक्ट्रोड की सतह तक इसके प्रसार को सीमित कर सकती है। साथ ही, नकारात्मक इलेक्ट्रोड पक्ष पर बीएन परत लिथियम डेंड्राइट की वृद्धि को भी सीमित करती है। इस सहकारी सुरक्षा तंत्र के लिए धन्यवाद, 0.5C पर 250 चक्रों के बाद बैटरी में उच्च क्षमता प्रतिधारण दर (76.6%) और विशिष्ट क्षमता (780.7 mAh∙g-1) होती है। सामान्य विभाजक और शुद्ध कार्बन संशोधित विभाजक से काफी बेहतर (चित्रा 6(ई))।

एन की तुलना में, सी में कम इलेक्ट्रोनगेटिविटी होती है, इसलिए बी और सी के बीच इलेक्ट्रोनगेटिविटी अंतर छोटा होता है, जिसके परिणामस्वरूप एनसी की तुलना में बीसी संरचना की रासायनिक ध्रुवता कमजोर होती है। लेकिन साथ ही, बीसी संरचना में इलेक्ट्रॉन डेलोकलाइज़ेशन बढ़ाया जाता है और चालकता बेहतर होती है [84,85]। इसलिए, बीसी आमतौर पर बीएन के अपेक्षाकृत पूरक भौतिक और रासायनिक गुण दिखाता है। इसमें कम घनत्व, अपेक्षाकृत अच्छी चालकता और अच्छे उत्प्रेरक गुण हैं, और ऊर्जा क्षेत्र में इसके अनुप्रयोग की आशाजनक संभावनाएँ हैं [86]। लुओ एट अल. [87] कैथोड होस्ट सामग्री के रूप में कार्बन फाइबर पर बोरॉन कार्बाइड नैनोवायर (बी4सी@सीएनएफ) विकसित किया (चित्र 6(एफ~एच))। उनमें से, बी4सी बीएस बॉन्डिंग के माध्यम से पॉलीसल्फाइड को कुशलता से सोखता है और सीमित करता है। साथ ही, इसका कार्बन फाइबर प्रवाहकीय नेटवर्क अधिशोषित सल्फर को शीघ्रता से परिवर्तित करने में मदद करता है और प्रतिक्रिया गतिकी में सुधार करता है। प्राप्त सल्फर कैथोड की क्षमता प्रतिधारण 500 चक्रों के बाद 8{28}}% है, और उच्च सल्फर सामग्री (द्रव्यमान अंश 70%) और लोडिंग क्षमता (10.3 मिलीग्राम∙सेमी) के तहत स्थिर चक्रण प्राप्त कर सकता है। {16}})। गीत और अन्य. [88] ने बी4सी के चारों ओर एक सुपर-सीमित सल्फर होस्ट संरचना का निर्माण किया। संरचना लचीले मैट्रिक्स के रूप में सक्रिय झरझरा सूती कपड़े कार्बन, सक्रिय कंकाल के रूप में बी 4 सी नैनोफाइबर और आगे की कोटिंग के लिए कम ग्राफीन ऑक्साइड का उपयोग करती है। भौतिक और रासायनिक कारावास को कुशलतापूर्वक संयोजित करता है, सक्रिय पदार्थों के नुकसान को कम करता है, और उत्कृष्ट चक्र स्थिरता प्राप्त करता है। बी4सी के अच्छे सोखने और उत्प्रेरक गुणों को देखते हुए, झाओ के शोध समूह [89] ने सक्रिय साइटों को कुशलतापूर्वक फैलाने और उजागर करने के लिए इन-सीटू उत्प्रेरक-सहायता विकास विधि के माध्यम से कार्बन फाइबर कपड़े में बी4सी नैनोकणों को समान रूप से वितरित किया। प्राप्त सल्फर कैथोड की प्रारंभिक क्षमता 3.0 mg∙cm-2 की लोडिंग पर 1415 mAh∙g-1 (0.1C) तक है और 1C पर 3000 चक्रों का एक अति-लंबा जीवन है, जो दर्शाता है आवेदन की अच्छी संभावनाएँ।

ऊपर से यह देखा जा सकता है कि गैर-धातु बोराइड का लिथियम पॉलीसल्फाइड पर अच्छा सोखना और उत्प्रेरक प्रभाव होता है, लेकिन इसकी चालकता अपेक्षाकृत कम है, और सल्फर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया में सहायता के लिए एक प्रवाहकीय वाहक की अभी भी आवश्यकता है। उनमें से, आसन्न एन और सी परमाणुओं की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में अंतर बीएन और बीसी सामग्रियों को चालकता और लिथियम पॉलीसल्फाइड के साथ बातचीत के संदर्भ में अपने फायदे और नुकसान बनाता है। इसे देखते हुए, बोरॉन सल्फाइड, बोरॉन फॉस्फाइड, बोरॉन ऑक्साइड आदि के साथ मिलकर, इस प्रकार के गैर-धातु बोराइड का उपयोग स्थानीय रासायनिक ध्रुवीय संरचना और सोखना उत्प्रेरक के बीच संरचना-गतिविधि संबंध का अध्ययन करने के लिए एक अच्छे वाहक और मंच के रूप में किया जा सकता है। क्षमता। यह उम्मीद की जाती है कि आगे व्यवस्थित सहसंबंध और विश्लेषण से प्रासंगिक सूक्ष्म प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं को समझने, सामग्रियों की बारीक संरचना को विनियमित करने और बैटरियों के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन में सुधार करने में मदद मिलेगी। इसके अलावा, लिथियम-सल्फर बैटरी में गैर-धातु बोराइड्स के आगे के अनुप्रयोग और विकास को अभी भी उनकी तैयारी के सुधार और अनुकूलन पर निर्भर रहने की आवश्यकता है। उच्च आंतरिक चालकता के साथ सामग्री संरचनाओं को विकसित करते हुए सरल और हल्की तैयारी प्रौद्योगिकियों का विकास करें और चालकता, सोखना और उत्प्रेरक प्रभावों को संतुलित करने और ध्यान में रखने के लिए अधिक कुशल मिश्रित सामग्री डिजाइन करें।

3 निष्कर्ष

संक्षेप में, लिथियम-सल्फर बैटरियों में उनकी बहु-इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाओं के कारण उच्च सैद्धांतिक ऊर्जा घनत्व होता है। हालाँकि, उनके रूपांतरण प्रतिक्रिया तंत्र और सक्रिय सामग्रियों की आंतरिक कमजोर चालकता लाभों की प्राप्ति में बाधा डालती है। बोरॉन-आधारित सामग्रियों में अद्वितीय भौतिक और रासायनिक विशेषताएं और विद्युत रासायनिक गुण होते हैं। उनका लक्षित डिज़ाइन और तर्कसंगत अनुप्रयोग लिथियम-सल्फर बैटरी के शटल प्रभाव को कम करने और प्रतिक्रिया गतिशीलता और उत्क्रमणीयता में सुधार करने के प्रभावी तरीके हैं। हाल के वर्षों में इनका तेजी से विकास हुआ है। हालाँकि, लिथियम-सल्फर बैटरियों में बोरान-आधारित सामग्रियों का अनुसंधान और अनुप्रयोग अभी भी अपनी प्रारंभिक अवस्था में है, और बैटरी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया प्रक्रिया पर सामग्री संरचना डिजाइन और इसकी क्रिया के तंत्र को और अधिक विकसित और अन्वेषण करने की आवश्यकता है। सामग्री विशेषताओं और उपरोक्त शोध प्रगति को मिलाकर, लेखक का मानना ​​है कि लिथियम-सल्फर बैटरी में बोरान-आधारित सामग्रियों के भविष्य के विकास को निम्नलिखित दिशाओं पर अधिक ध्यान देना चाहिए:

1) सामग्री संश्लेषण। उपर्युक्त बोरॉन-आधारित सामग्रियों के सामने सिंथेटिक तैयारी एक आम समस्या है। तंत्र अनुसंधान और अनुप्रयोग संवर्धन के लिए सामग्री आधार प्रदान करने के लिए सरल, सौम्य और अधिक कुशल सामग्री तैयार करने के तरीकों को विकसित करने की तत्काल आवश्यकता है। उनमें से, तरल चरण कटौती विधि द्वारा अनाकार धातु बोराइड्स की तैयारी एक आशाजनक विकास दिशा है। साथ ही, इसके फायदे और अनुभव का लाभ उठाते हुए, सॉल्वोथर्मल या पिघला हुआ नमक विधियों के आधार पर सिंथेटिक मार्गों की खोज और विकास भी बोरॉन-आधारित सामग्रियों की तैयारी के लिए नए विचार प्रदान कर सकता है। इसके अलावा, बोराइड की तैयारी प्रक्रिया के दौरान, लिथियम-सल्फर बैटरी की इंटरफ़ेस प्रतिक्रिया विशेषताओं की जरूरतों को पूरा करने के लिए नैनोस्ट्रक्चर के नियंत्रण और डिजाइन और इसकी स्थिरता पर विशेष ध्यान देने की आवश्यकता है।

2) तंत्र अन्वेषण। बोरॉन-आधारित सामग्रियों में अद्वितीय और समृद्ध सतह रासायनिक विशेषताएं होती हैं। बोरॉन-आधारित सामग्रियों और पॉलीसल्फाइड्स के बीच मेजबान-अतिथि इंटरैक्शन का आगे अध्ययन करने के लिए इन-सीटू लक्षण वर्णन विधियों का उपयोग किया जाना चाहिए। इसकी सोखना और उत्प्रेरक क्षमताओं के निर्णायक संरचनात्मक कारकों को प्रकट करने और सामग्री के लक्षित डिजाइन और विकास के लिए सैद्धांतिक मार्गदर्शन और आधार प्रदान करने के लिए सतह अपरिवर्तनीय सल्फेशन, स्व-इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण और कटौती इत्यादि पर विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए। इसके अलावा, प्रतिनिधि अनाकार धातु बोराइड के लिए, अनाकार और क्रिस्टलीय बोराइड के बीच सूक्ष्म संरचना और संबंधित भौतिक और रासायनिक गुणों में अंतर पर विशेष ध्यान देना और संबंधित संरचनात्मक विश्लेषण और संपत्ति लक्षण वर्णन विश्लेषण प्रौद्योगिकियों के विकास में सहयोग करना आवश्यक है। केवल क्रिस्टलीय संरचना पर आधारित अनाकार सामग्री, लिथियम पॉलीसल्फाइड और इसकी प्रतिक्रिया प्रक्रिया के बीच बातचीत का अनुमान लगाने से बचें।

3) प्रदर्शन मूल्यांकन. सामग्री और बैटरी मूल्यांकन प्रणाली को अनुकूलित करने के लिए, सल्फर सतह लोडिंग को बढ़ाते समय, इलेक्ट्रोड की गुणवत्ता और वॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनत्व में सुधार करने के लिए इलेक्ट्रोड की मोटाई और सरंध्रता जैसे प्रमुख मापदंडों को विनियमित करने पर अधिक ध्यान दिया जाना चाहिए। इसके अलावा, कम इलेक्ट्रोलाइट खुराक (ई/एस) की स्थितियों में इलेक्ट्रोकेमिकल गुण<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.

संक्षेप में, यह लेख बोरॉन-आधारित सामग्रियों पर केंद्रित है और लिथियम-सल्फर बैटरी सिस्टम में बोरोफेन, बोरान परमाणु-डोप्ड कार्बन, धातु बोराइड और गैर-धातु बोराइड की नवीनतम शोध प्रगति की समीक्षा करता है। मुझे उम्मीद है कि यह सहकर्मियों को संदर्भ और प्रेरणा प्रदान कर सकता है, नई ऊर्जा के क्षेत्र में बोरान-आधारित सामग्रियों के विकास और अनुप्रयोग का विस्तार कर सकता है और लिथियम-सल्फर बैटरी के व्यावहारिक विकास को बढ़ावा दे सकता है।

संदर्भ

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