Onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe, organisch kathodemateriaal voor lithiumbatterijen. Met zwavel als kern, het materiaal is energierijker, kostenefficiënt, en milieuvriendelijker dan traditionele kathodematerialen in lithiumbatterijen. Het onderzoek is gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen op 10 april 2019.

Kathodematerialen optimaliseren

Van smartphones tot elektrische voertuigen, de technologieën die centraal zijn komen te staan ​​in het dagelijks leven werken op lithiumbatterijen. En terwijl de vraag naar deze producten blijft stijgen, wetenschappers onderzoeken hoe kathodematerialen kunnen worden geoptimaliseerd om de algehele prestaties van lithiumbatterijsystemen te verbeteren.

"Gecommercialiseerde lithium-ionbatterijen worden gebruikt in kleine elektronische apparaten, maar om een ​​groot rijbereik voor elektrische voertuigen mogelijk te maken, hun energiedichtheid moet hoger zijn, " zei Zulipiya Shadike, een onderzoeksmedewerker in Brookhaven's Chemistry Division en de hoofdauteur van het onderzoek. "We proberen nieuwe batterijsystemen te ontwikkelen met een hoge energiedichtheid en stabiele prestaties."

Naast het oplossen van de energie-uitdagingen van batterijsystemen, onderzoekers van Brookhaven onderzoeken duurzamere ontwerpen van batterijmateriaal. Op zoek naar een duurzaam kathodemateriaal dat ook voor een hoge energiedichtheid zou kunnen zorgen, de onderzoekers kozen voor zwavel, een veilig en overvloedig element.

"Zwavel kan veel bindingen vormen, wat betekent dat het meer lithium kan vasthouden en daarom een ​​grotere energiedichtheid heeft, " zei co-auteur Adrian Hunt, een wetenschapper bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven. "Zwavel is ook lichter dan traditionele elementen in kathodematerialen, dus als je een batterij maakt van zwavel, de batterij zelf zou lichter zijn en de auto waarop hij rijdt, zou verder kunnen rijden op dezelfde lading."

Bij het ontwerpen van het nieuwe kathodemateriaal, de onderzoekers kozen voor een organodisulfideverbinding die alleen bestaat uit elementen zoals koolstof, waterstof, zwavel, en zuurstof - niet de zware metalen die in typische lithiumbatterijen worden aangetroffen, die minder milieuvriendelijk zijn. Maar hoewel zwavelbatterijen veiliger en energierijker kunnen zijn, ze bieden andere uitdagingen.

"Als een batterij wordt opgeladen of ontladen, zwavel kan een ongewenste verbinding vormen die oplost in de elektrolyt en zich door de batterij verspreidt, een bijwerking veroorzaken, " zei Shadike. "We hebben geprobeerd zwavel te stabiliseren door een kathodemateriaal te ontwerpen waarin zwavelatomen aan een organische ruggengraat waren bevestigd."

Röntgenfoto's onthullen de details

Toen de wetenschappers van Brookhaven's Chemistry Division het nieuwe materiaal ontwierpen en synthetiseerden, ze brachten het vervolgens naar NSLS-II om het laad-ontlaadmechanisme beter te begrijpen. Met behulp van NSLS-II's ultraheldere röntgenstralen op twee verschillende experimentele stations, de röntgenpoederdiffractie (XPD) bundellijn en de In situ en Operando zachte röntgenspectroscopie (IOS) bundellijn, de wetenschappers waren in staat om te bepalen hoe specifieke elementen in het kathodemateriaal bijdroegen aan de prestaties.

"Het kan moeilijk zijn om organische batterijmaterialen te bestuderen met behulp van synchrotron-lichtbronnen omdat, in vergelijking met zware metalen, organische verbindingen zijn lichter en hun atomen zijn minder geordend, dus ze produceren zwakke gegevens, " zei Sanjit Ghose, hoofdwetenschapper bij XPD en een co-auteur van het papier. "Gelukkig, we hebben röntgenstralen met een zeer hoge flux en hoge energie bij NSLS-II die ons in staat stellen de overvloed en activiteit van elk element in een materiaal te 'zien', inclusief aansteker, minder geordende organische elementen."

Ghose heeft toegevoegd, "Onze collega's van de scheikundeafdeling ontwierpen en synthetiseerden het kathodemateriaal volgens de theoretisch voorspelde structuur. Tot onze verbazing, onze experimentele waarnemingen kwamen precies overeen met de theoretisch gestuurde structuur."

Iradwikanari Waluyo, hoofdwetenschapper bij IOS en een co-auteur van het papier, zei, "We gebruikten zachte röntgenstralen bij IOS om het zuurstofatoom in de ruggengraat direct te onderzoeken en de elektronische structuur ervan te bestuderen, voor en na het opladen en ontladen van de batterij. We hebben bevestigd dat de carbonylgroep - met een dubbele binding tussen een koolstofatoom en een zuurstofatoom - niet alleen een grote rol speelt bij het verbeteren van het snel opladen en ontladen van de batterij, maar ook voor extra capaciteit zorgt."

De resultaten van NSLS-II en aanvullende experimenten bij de Canadian Light Source stelden de wetenschappers in staat om met succes de laad-ontlaadcapaciteit van de batterij te bevestigen die wordt geleverd door de zwavelatomen. De onderzoekers zeggen dat deze studie een nieuwe strategie biedt voor het verbeteren van de prestaties van op zwavel gebaseerde kathoden voor hoogwaardige lithiumbatterijen.