Een team van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) heeft voor het eerst een nanomateriaal gefabriceerd gemaakt van nanodeeltjes van een titaniumoxideverbinding (Ti4O7) dat wordt gekenmerkt door een extreem groot oppervlak, en testte het als kathodemateriaal in lithium-zwavelbatterijen. Het zeer poreuze nanomateriaal heeft een hoge opslagcapaciteit die gedurende vele oplaadcycli vrijwel constant blijft.

Momenteel, lithiumbatterijen zijn een van de beste oplossingen voor het opslaan van elektrische stroom in een kleine ruimte. Lithium-ionen in deze batterijen migreren van de anode naar de tegenovergestelde elektrische pool, de kathode, tijdens de ontlaadcyclus. De anode en kathode bestaan ​​over het algemeen uit verbindingen van zware metalen die duur en giftig zijn.

Een interessant alternatief is de lithium-zwavelbatterij. In dit geval, de kathode bestaat niet uit zware metalen, maar in plaats van zwavel — een economisch en algemeen verkrijgbaar materiaal. Aangezien lithiumionen tijdens de ontladingscyclus naar de kathode migreren, Daar vindt een reactie plaats die via verschillende tussenliggende lithiumpolysulfiden lithiumsulfide (Li2S) vormt. Tijdens het fietsen, het oplossen van lithiumpolysulfiden zorgt ervoor dat de capaciteit van de batterij in de loop van meerdere laadcycli afneemt via het zogenaamde "shuttle-effect". Om deze reden, onderzoekers over de hele wereld werken aan het verbeteren van kathodematerialen die polysulfiden chemisch of fysiek kunnen insluiten of inkapselen, zoals bij nanodeeltjes van titaandioxide (TiO ₂ ), bijvoorbeeld.

Ti4O7-nanodeeltjes met onderling verbonden poriestructuur

Het HZB-team onder leiding van prof. Yan Lu heeft nu een kathodemateriaal gefabriceerd dat nog effectiever is. Hier ook, nanodeeltjes zorgen voor opsluiting van de zwavel. Echter, ze bestaan ​​niet uit titaandioxide, maar in plaats van Ti ₄ O ₇ moleculen gerangschikt op een poreus bolvormig oppervlak. Deze poreuze nanodeeltjes binden polysulfiden aanzienlijk sterker dan het gebruikelijke TiO ₂ nanodeeltjes.

"We hebben een speciaal fabricageproces ontwikkeld om dit complexe, driedimensionaal onderling verbonden poriënstructuur", legt Yan Lu uit. Yan Lu fabriceert eerst een sjabloon gemaakt van een matrix van kleine polymeerbolletjes met poreuze oppervlakken. Deze sjabloon is opgesteld in aanvullende stappen, vervolgens ondergedompeld in een oplossing van titaniumisopropoxide. Een laag Ti ₄ O ₇ wordt gevormd op de poreuze bollen en blijft na thermische behandeling, die het onderliggende polymeer ontleedt. Vergeleken met andere kathodematerialen gemaakt van titaniumoxiden, de Ti ₄ O ₇ nanosfeermatrix heeft een extreem groot oppervlak. 12 gram van dit materiaal zou een voetbalveld bedekken.

Functie gedecodeerd bij BESSY II

Röntgenspectroscopiemetingen (XPS) bij het CISSY-experiment van BESSY II laten zien dat zwavelverbindingen sterk binden aan het oppervlak in de nanomatrix.

Hoge specifieke capaciteit

Dit verklaart ook de hoge specifieke capaciteit per gram (1219 mAh) bij 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ). De specifieke capaciteit neemt ook zeer weinig af tijdens herhaalde laad-/ontlaadcycli (0,094 procent per cyclus). Ter vergelijking, de specifieke capaciteit van kathodematerialen gemaakt van TiO2-nanodeeltjes is 683 mAh/g. Om de geleidbaarheid van dit materiaal te verhogen, het is mogelijk om een ​​aanvullende coating van koolstof op de nanodeeltjes aan te brengen. De zeer poreuze structuur blijft na dit proces intact.

Opschalen is mogelijk

"We werken al meer dan een jaar aan het verbeteren van de herhaalbaarheid van deze synthese. Nu weten we hoe het moet. we zullen werken aan het fabriceren van het materiaal als een dunne film", zegt Yan Lu. En het mooiste:in dit geval wat in het laboratorium succesvol is geweest, kan ook worden overgedragen naar commerciële productie. Dit komt doordat alle processen, van de colloïdchemie tot de dunnefilmtechnologie, zijn schaalbaar.