Lithium-zwavelbatterijen worden beschouwd als een van de meest veelbelovende kandidaten voor de volgende generatie energieopslagapparaten. Ze hebben een theoretische gravimetrische energiedichtheid die vijf keer hoger is dan die van de beste lithium-ionbatterijen die momenteel beschikbaar zijn. En ze werken zelfs bij temperaturen onder nul tot -50 °C. In aanvulling, zwavel is goedkoop en milieuvriendelijk.

Echter, hun capaciteit is tot nu toe bij elke laad-ontlaadcyclus sterk gedaald, zodat dergelijke batterijen nog niet lang meegaan. Het capaciteitsverlies wordt veroorzaakt door gecompliceerde reactieprocessen aan de elektroden in de batterijcel. Het is daarom bijzonder belangrijk om precies te begrijpen hoe de lading (zwavel) en ontladen (lithiumsulfide) producten neerslaan en oplossen. Terwijl zwavel macroscopisch neerslaat en zich daarom leent voor onderzoek door beeldvormingstechnieken of röntgendiffractie tijdens het fietsen, lithiumsulfide is moeilijk te detecteren vanwege de deeltjesgrootte van minder dan 10 nm.

Hier is nu voor het eerst inzicht in verkregen door onderzoek met de BER II neutronenbron bij de HZB. Dr. Sebastian Risse gebruikte een door hem ontwikkelde meetcel om lithium-zwavelbatterijen te belichten met neutronen tijdens laad- en ontlaadcycli (operando) en voerde tegelijkertijd aanvullende metingen uit met impedantiespectroscopie.

Hierdoor konden hij en zijn team het oplossen en neerslaan van lithiumsulfide met uiterste precisie analyseren gedurende tien ontlaad-/oplaadcycli. Omdat neutronen sterk interageren met deuterium (zware waterstof), de onderzoekers gebruikten een gedeutereerd elektrolyt in de batterijcel om zowel de vaste producten (zwavel en lithiumsulfide) zichtbaar te maken.

Hun conclusie:"We hebben waargenomen dat de lithiumsulfide- en zwavelprecipitatie niet plaatsvindt in de microporeuze koolstofelektroden, maar in plaats daarvan op het buitenoppervlak van de koolstofvezels, ", zegt Risse. Deze resultaten vormen een waardevolle leidraad voor de ontwikkeling van betere batterij-elektroden.