Lithium-ionbatterijen vertegenwoordigen de meerderheid van de batterijen in consumentenelektronica en elektrische voertuigen. Vandaag, wetenschappers zijn op zoek naar nieuwe chemische stoffen die de energiedichtheid en prestaties van batterijen kunnen verbeteren in vergelijking met conventionele lithium-ionbatterijen.

Een type van deze batterijen, lithium-zwavelbatterijen genoemd, zou meer energiedichtheid en lagere kosten kunnen bieden dan de traditionele grafiet/metaaloxide lithium-ionbatterij. Echter, zijn prestaties worden vaak aangetast door een parasitaire reactie die plaatsvindt in de batterij, waardoor deze niet zo efficiënt kan fietsen.

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben ontdekt hoe een bepaalde klasse elektrolytmateriaal de frequentie van deze reactie kan verminderen, mogelijk de weg vrijmaakt voor effectievere lithium-zwavelbatterijen.

Wanneer een lithium-zwavelbatterij wordt opgeladen, een onvermijdelijke nevenreactie genaamd lithium-polysulfide-shuttle komt vaak voor. Terwijl de batterij oplaadt, lithiumsulfide wordt op de kathode omgezet in zwavel, maar sommige lithium-zwavelverbindingen die onvolledig geoxideerd zijn, kunnen van de kathode oplossen in de elektrolyt - het vloeibare deel van de batterij dat de twee elektroden scheidt.

Op dit punt, de lithium-zwavelverbindingen kunnen diffunderen en gereduceerd worden op de anode en terug oxideren op de kathode. Dit proces kan keer op keer plaatsvinden op een manier die de lading van de batterij verspilt zonder deze aan het werk te zetten.

"Met de polysulfide-shuttle, je haalt niets uit je batterij, behalve om hem op te warmen, " zei de chemicus Chi Cheung Su uit Argonne, een auteur van de studie. "In elektrochemische termen, het is alsof je probeert te vliegen van New York naar Los Angeles, maar vast komen te zitten heen en weer reizen tussen Chicago en Denver."

Een groot deel van de reden voor de initiatie van het pendelen van polysulfiden vindt plaats omdat de polysulfiden gemakkelijk kunnen oplossen in een elektrolyt dat een oplosmiddelmengsel bevat van twee verbindingen genaamd dioxolaan (DOL) en dimethoxyethaan (DME). "Er zijn twee problemen die we tegelijkertijd moeten oplossen:een lage oplosbaarheid en een hoge geleidbaarheid, " zei Su. "Door beide te bereiken, we kunnen deze batterijen dichter bij de realiteit brengen."

Volgens Su, in de afgelopen vijf jaar is er een nieuw type elektrolytmateriaal ontwikkeld dat beide problemen zou kunnen aanpakken. Dit materiaal, een hydrofluorether genoemd, of HFE, heeft een veel lager oplossend vermogen terwijl het over het algemeen een goede geleidbaarheid behoudt. "De eerste stap voor het lithium om bij de anode te komen, is het oplossen in de elektrolyt, " zei hij. "Zoals water een heel goed oplosmiddel is voor tafelzout, DME is een zeer goed oplosmiddel voor lithium. Maar met HFE's is het alsof je zout in benzine probeert op te lossen."

Hoewel deze algemene eigenschap van HFE's al enkele jaren bekend is, Su en zijn collega's hebben een algemene manier bedacht om het solvatatiegedrag en de geleidbaarheid van deze klasse moleculen te voorspellen. Eerst, ze verdeelden ze in drie soorten, afhankelijk van hun chemische structuur. Bij het meten hoe de elektrolyten presteerden, de onderzoekers merkten een belangrijke wisselwerking op:die chemieën die het laagste solvaterende gedrag vertoonden en de minste hoeveelheid polysulfide-shuttling hadden ook een lagere geleidbaarheid.

"Het laat zien dat er nog geen wondermiddel is voor lithium-zwavelbatterijen, en dat we nog steeds manieren moeten vinden om de chemie die we hebben te verbeteren, ' zei Su.

Een paper gebaseerd op het onderzoek, "Een selectieregel voor hydrofluorether-elektrolyt-co-oplosmiddel:het vaststellen van een lineaire vrije-energierelatie in lithium-zwavelbatterijen, " verscheen in het nummer van 13 mei van Angewandte Chemie .