In de toekomst, oplaadbare lithium-zwavel (Li-S) batterijen kunnen meer energie bevatten en minder kosten dan lithium-ionbatterijen als ze langer mee kunnen gaan. Een belangrijke uitdaging is om te voorkomen dat de polysulfide-ionen die zich tijdens de ontlading bij de zwavelelektrode moeten vormen, door de vloeibare elektrolyt naar de andere elektrode worden getransporteerd. Hier, onderzoekers ontdekten hoe de oplosbaarheid en het transport van polysulfide-ionen in de vloeibare elektrolyt verband houdt met de ketenlengte van het polysulfide-ion, de neiging van het ion om te clusteren, en de hoeveelheid lithiumzout die in de elektrolyt aanwezig is. Het is opmerkelijk dat polysulfiden van elke ketenlengte of structuur opgelost in de vloeibare elektrolyt kunnen bijdragen aan slechtere prestaties van de batterij.

Om de levensduur van oplaadbare lithium-zwavelbatterijen te verlengen, moet het transport van polysulfide tussen elektroden tijdens bedrijf worden voorkomen. Kennis van hoe de zout- en oplosmiddelmoleculen van de elektrolyt interageren met polysulfiden helpt bij het begrijpen van hun oplosbaarheid. Inzichten uit onderzoeken naar deze interacties zouden kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe elektrolyten die langer meegaan, praktische lithium-zwavel oplaadbare batterijen.

De lithium-zwavelbatterij heeft een theoretische energiedichtheid die veel groter is dan die van commerciële lithium-ionbatterijen; echter, de technologie vertoont vervaging en dus een beperkte levensduur van de batterij. Bij deze batterijen actieve zwavelsoorten (als opgeloste polysulfide-ionen) migreren naar de lithiummetaalelektrode. Vervolgens, onomkeerbare reacties waarbij deze polysulfiden betrokken zijn, kunnen optreden bij de elektrode, waardoor het vermogen om lading op te slaan verloren gaat. Pogingen om het metaal te beschermen tegen de polysulfiden zijn slechts gedeeltelijk succesvol geweest.

Wetenschappers van het Joint Centre for Energy Storage Research hebben zich gericht op het afstemmen van de elektrolytsamenstelling om te bepalen hoe polysulfiden oplossen, Actie, en interageren. Onlangs, met behulp van gecombineerde theoretische en experimentele studies, ontdekten de wetenschappers dat de oplosbaarheid van polysulfiden (Li ₂ S _x , x=2-8) hangt af van de ketenlengte van het sulfide-ion. Kortere polysulfiden vormen grote clusters, met maximaal vijftien ionen in elke cluster, wat hun oplosbaarheid beperkt. Langere polysulfiden (met meer dan vier zwavelatomen) vertonen een hogere oplosbaarheid, maar langzaam transport in het zuivere oplosmiddel. Verrassend genoeg, de toevoeging van een lithiumzout om een ​​elektrolytoplossing te vormen, verhoogde de oplosbaarheid van de polysulfiden met korte keten door gunstige interacties tussen het zout en de polysulfiden te verschaffen.

De onderzoekers berekenden en maten ook experimenteel de diffusiesnelheden voor de lithiumionen en andere soorten in de elektrolyten bij verschillende zout/oplosmiddelverhoudingen. Hoge zoutconcentraties kunnen gunstig beïnvloeden hoe polysulfiden oplossen, maar resulteerde in verminderde mobiliteit voor ionische soorten en onvoldoende ionische geleidbaarheid. Inzicht in de structuur en dynamiek van lithium-zwavelelektrolyten biedt de mogelijkheid om de samenstelling van de elektrolyt te verfijnen. Met deze inzichten toekomstige elektrolyten zouden kunnen worden ontworpen om een ​​efficiënt transport van ionen tussen de elektroden te bieden, terwijl het oplossen en migreren van polysulfidesoorten wordt onderdrukt.