Eind juli 2008 vestigde een Brits zonnevliegtuig een onofficieel vliegduurrecord door meer dan drie dagen achter elkaar in de lucht te blijven. Lithium-zwavelbatterijen kwamen naar voren als een van de grote technologische vooruitgangen die de vlucht mogelijk maakten - het vliegtuig 's nachts van stroom voorzien met een efficiëntie die ongeëvenaard is door de beste batterijen van de dag. Tien jaar later, de wereld wacht nog steeds op de commerciële komst van "Li-S"-batterijen. Maar een doorbraak door onderzoekers van de Drexel University heeft zojuist een belangrijke barrière weggenomen die hun levensvatbaarheid blokkeert.

Technologiebedrijven weten al geruime tijd dat de evolutie van hun producten, of het nu laptops zijn, mobiele telefoons of elektrische auto's, hangt af van de gestage verbetering van de batterijen. Technologie is alleen "mobiel" zolang de batterij het toelaat, en lithium-ionbatterijen - die als de beste op de markt worden beschouwd - bereiken hun limiet voor verbetering.

Nu de batterijprestaties een plateau naderen, bedrijven proberen elke laatste volt erin te persen, en uit, de opslagapparaten door de grootte van enkele van de interne componenten die niet bijdragen aan energieopslag te verkleinen. Een aantal ongelukkige neveneffecten van deze structurele veranderingen zijn de storingen en meltdowns die in 2016 optraden in een aantal Samsung-tablets.

Onderzoekers en de technologische industrie kijken naar Li-S-batterijen om uiteindelijk Li-ion te vervangen, omdat deze nieuwe chemie het theoretisch mogelijk maakt om meer energie in een enkele batterij te stoppen - een maat die "energiedichtheid" wordt genoemd in onderzoek en ontwikkeling van batterijen. Deze verbeterde capaciteit, in de orde van 5-10 keer die van Li-ion batterijen, komt overeen met een langere looptijd voor batterijen tussen oplaadbeurten.

Het probleem is, Li-S-batterijen hebben hun superieure capaciteit niet kunnen behouden na de eerste paar keer opladen. Het blijkt dat de zwavel, wat het belangrijkste ingrediënt is voor een verbeterde energiedichtheid, migreert weg van de elektrode in de vorm van tussenproducten die polysulfiden worden genoemd, wat leidt tot verlies van dit belangrijke ingrediënt en prestatieverlies tijdens het opladen.

Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd de reactie in de Li-S-batterij te stabiliseren om deze polysulfiden fysiek te bevatten, maar de meeste pogingen hebben tot andere complicaties geleid, zoals het toevoegen van gewicht of dure materialen aan de batterij of het toevoegen van verschillende ingewikkelde verwerkingsstappen.

Maar een nieuwe aanpak gerapporteerd door onderzoekers van Drexel's College of Engineering in een recente editie van het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces , getiteld "TiO-fase gestabiliseerd in vrijstaande nanovezels als sterke polysulfide-immobilisator in Li-S-batterijen:bewijs voor Lewis-zuur-base-interacties, " laat zien dat het polysulfiden op hun plaats kan houden, behoud van het indrukwekkende uithoudingsvermogen van de batterij, terwijl het totale gewicht en de tijd die nodig is om ze te produceren, wordt verminderd.

"We hebben een vrijstaande poreuze titaniummonoxide-nanovezelmat gemaakt als kathodemateriaal in lithium-zwavelbatterijen, " zei Vibha Kalra, doctoraat, een assistent-professor aan het College of Engineering en hoofdauteur van het onderzoek. "Dit is een belangrijke ontwikkeling omdat we hebben ontdekt dat onze titaniummonoxide-zwavelkathode zowel zeer geleidend is als polysulfiden kan binden via sterke chemische interacties, wat betekent dat het de specifieke capaciteit van de batterij kan vergroten met behoud van indrukwekkende prestaties gedurende honderden cycli. We kunnen ook de volledige eliminatie aantonen van bindmiddelen en stroomafnemer aan de kathodezijde, die 30-50 procent van het elektrodegewicht uitmaken - en onze methode duurt slechts enkele seconden om de zwavelkathode te maken, terwijl de huidige norm bijna een halve dag kan duren."

Hun bevindingen suggereren dat de nanovezelmat, die op microscopisch niveau lijkt op een vogelnest, is een uitstekend platform voor de zwavelkathode omdat het de polysulfiden aantrekt en vasthoudt die ontstaan ​​wanneer de batterij wordt gebruikt. Door de polysulfiden in de kathodestructuur te houden, wordt "pendelen, " een prestatieverlagend fenomeen dat optreedt wanneer ze oplossen in de elektrolytoplossing die de kathode van de anode in een batterij scheidt. Dit kathodeontwerp kan niet alleen de Li-S-batterij helpen zijn energiedichtheid te behouden, maar doe het ook zonder extra materialen die het gewicht en de productiekosten verhogen, volgens Kalra.

Om deze dubbele doelen te bereiken, de groep heeft de reactiemechanismen en de vorming van polysulfiden nauwkeurig bestudeerd om beter te begrijpen hoe een elektrode-gastheermateriaal kan helpen deze te bevatten.

"Dit onderzoek toont aan dat de aanwezigheid van een sterke Lewis-zuur-base-interactie tussen het titaniummonoxide en zwavel in de kathode voorkomt dat polysulfiden in de elektrolyt terechtkomen, wat de voornaamste oorzaak is van de verminderde prestaties van de batterij, " zei Arvinder Singh, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Kalra die de auteur van het artikel was.

Dit betekent dat hun kathodeontwerp een Li-S-batterij kan helpen zijn energiedichtheid te behouden - en dit zonder extra materialen die het gewicht en de productiekosten verhogen, volgens Kalra.

Kalra's eerdere werk met nanovezelelektroden heeft aangetoond dat ze verschillende voordelen bieden ten opzichte van de huidige batterijcomponenten. Ze hebben een groter oppervlak dan stroomelektroden, wat betekent dat ze kunnen worden uitgebreid tijdens het opladen, die de opslagcapaciteit van de batterij kan vergroten. Door ze te vullen met een elektrolytgel, ze kunnen ontvlambare componenten uit apparaten verwijderen, waardoor hun gevoeligheid voor lekken wordt geminimaliseerd, branden en explosies. Ze worden gemaakt door middel van een elektrospinproces, dat lijkt op het maken van suikerspin, dit betekent dat ze een voordeel hebben ten opzichte van de standaard elektroden op poederbasis, die het gebruik van isolerende en prestatieverslechterende "bindmiddel" chemicaliën bij hun productie vereisen.

Samen met zijn werk om bindmiddelvrije, vrijstaande kathodeplatforms om de prestaties van batterijen te verbeteren, Kalra's lab ontwikkelde een snelle zwavelafzettingstechniek die slechts vijf seconden nodig heeft om de zwavel in zijn substraat te krijgen. De procedure smelt zwavel in de nanovezelmatten in een licht onder druk staande, 140 graden Celsius-omgeving - waardoor tijdrovende verwerking met een mix van giftige chemicaliën, terwijl het vermogen van de kathode om een ​​lading vast te houden na langdurig gebruik wordt verbeterd.

"Onze Li-S-elektroden bieden de juiste architectuur en chemie om de capaciteitsvervaging tijdens batterijcycli te minimaliseren, een belangrijke belemmering bij de commercialisering van Li-S-batterijen, " zei Kalra. "Ons onderzoek toont aan dat deze elektroden een aanhoudende effectieve capaciteit hebben die vier keer hoger is dan de huidige Li-ion-batterijen. En onze roman, goedkope methode om de kathode in slechts enkele seconden te zwavelen, verwijdert een significante belemmering voor de productie."

Sinds de recordvlucht van de Zephyr-6 in 2008 veel bedrijven hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van Li-S-batterijen in de hoop het bereik van elektrische auto's te vergroten, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.