Lithium-zwavelbatterijen zijn veelbelovende kandidaten voor het vervangen van gewone lithium-ionbatterijen in elektrische voertuigen, aangezien ze goedkoper zijn, Weeg minder, en kan bijna het dubbele van de energie opslaan voor dezelfde massa. Echter, lithium-zwavelbatterijen worden na verloop van tijd onstabiel, en hun elektroden verslechteren, brede acceptatie te beperken.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy heeft gemeld dat een nieuwe lithium-zwavelbatterijcomponent een verdubbeling van de capaciteit mogelijk maakt in vergelijking met een conventionele lithium-zwavelbatterij, zelfs na meer dan 100 laadcycli bij hoge stroomdichtheden, die belangrijke prestatiestatistieken zijn voor hun toepassing in elektrische voertuigen (EV's) en in de luchtvaart.

Ze deden dit door een nieuw polymeerbindmiddel te ontwerpen dat actief belangrijke ionentransportprocessen reguleert in een lithium-zwavelbatterij, en hebben ook laten zien hoe het functioneert op moleculair niveau. Het werk werd onlangs gemeld in Natuurcommunicatie .

"Het nieuwe polymeer fungeert als een muur, " zei Brett Helms, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry en corresponderende auteur van de studie. "De zwavel wordt in de poriën van een koolstofgastheer geladen, die vervolgens worden verzegeld door ons polymeer. Aangezien zwavel deelneemt aan de chemische reacties van de batterij, het polymeer voorkomt dat de negatief geladen zwavelverbindingen naar buiten dwalen. De batterij belooft veel voor het mogelijk maken van de volgende generatie EV's."

Wanneer een lithium-zwavelbatterij energie opslaat en afgeeft, de chemische reactie produceert mobiele zwavelmoleculen die losraken van de elektrode, waardoor het verslechtert en uiteindelijk de capaciteit van de batterij in de loop van de tijd vermindert. Om deze batterijen stabieler te maken, onderzoekers hebben traditioneel gewerkt aan de ontwikkeling van beschermende coatings voor hun elektroden, en om nieuwe polymeerbindmiddelen te ontwikkelen die fungeren als de lijm die batterijcomponenten bij elkaar houdt. Deze bindmiddelen zijn bedoeld om het zwellen en barsten van de elektrode te beheersen of te verminderen.

De nieuwe binder gaat een stap verder. Onderzoekers van de Organic Synthesis Facility van Berkeley Lab's Molecular Foundry, een onderzoekscentrum dat gespecialiseerd is in wetenschap op nanoschaal, ontwierp een polymeer om de zwavel dicht bij de elektrode te houden door de zwavelmoleculen selectief te binden, zijn migratietendensen tegen te gaan.

De volgende stap was het begrijpen van de dynamische structurele veranderingen die zich waarschijnlijk zullen voordoen tijdens het laden en ontladen en bij verschillende laadtoestanden. David Prendergast, die de Foundry's Theory Facility leidt, en Tod Pascal, een projectwetenschapper bij de Theorie Faciliteit, bouwde een simulatie om de hypothesen van de onderzoekers over het gedrag van het polymeer te testen.

"We kunnen nu betrouwbaar en efficiënt de zwavelchemie binnen deze bindmiddelen modelleren op basis van lessen uit gedetailleerde kwantummechanische simulaties van de opgeloste zwavelhoudende producten, ’, aldus Prendergast.

Hun grootschalige moleculaire dynamica-simulaties, uitgevoerd op supercomputerbronnen bij Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), bevestigde dat het polymeer een affiniteit heeft voor het binden van de mobiele zwavelmoleculen, en voorspelde ook dat het polymeer waarschijnlijk een voorkeur zou hebben voor het binden van verschillende zwavelsoorten bij verschillende laadtoestanden voor de batterij. Experimenten uitgevoerd in Berkeley Lab's Advanced Light Source en Argonne National Laboratory's Electrochemistry Discovery Lab bevestigden deze voorspellingen.

Het onderzoeksteam ging nog een stap verder door ook de prestaties te onderzoeken van lithium-zwavelcellen gemaakt met het nieuwe polymeerbindmiddel. Door een reeks experimenten, ze konden analyseren en kwantificeren hoe het polymeer de chemische reactiesnelheid in de zwavelkathode beïnvloedt, wat de sleutel is tot het bereiken van een hoge stroomdichtheid en een hoog vermogen met deze cellen.

Door de elektrische capaciteit van de batterij bijna te verdubbelen tijdens langdurig fietsen, het nieuwe polymeer legt de lat hoger voor de capaciteit en het vermogen van lithium-zwavelbatterijen.

Het gecombineerde begrip van de synthese, theorie, en de kenmerken van het nieuwe polymeer hebben het tot een belangrijk onderdeel gemaakt in het prototype lithium-zwavelcel in het Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) van DOE.