Prof. Atsunori Matsuda, Prof. Hiroyuki Muto, Assistent prof. Kazuhiro Hikima, Assistent Prof. Nguyen Huu Huy Phuc, Onderzoeker Reiko Matsuda, en de heer Takaki Maeda (Masterprogramma) bij de afdeling Electrical and Electronic Information Engineering, Toyohashi University of Technology heeft een actief zwavelmateriaal en koolstof nanovezel (CNF) composiet gemaakt met behulp van een goedkoop en eenvoudig proces in vloeibare fase. Volledig solid-state lithium-zwavelbatterijen die een zwavel-CNF-composietmateriaal gebruiken dat is verkregen door een vloeistoffaseproces, vertonen een hogere ontladingscapaciteit en een betere cyclusstabiliteit dan die van secundaire lithium-ionbatterijen. Dus, deze all-solid-state lithium-zwavelbatterijen maken het mogelijk om in de toekomst te leiden tot toepassingen in grootschalige batterijen zoals elektrische voertuigen.

Lithium-ion secundaire batterijen, het concept waarvoor vorig jaar de Nobelprijs voor scheikunde werd toegekend, zijn op grote schaal gebruikt als stroombronnen voor smartphones, elektrische voertuigen, enz. All-solid-state batterijen hebben de afgelopen jaren ook de aandacht getrokken als batterijen van de volgende generatie vanwege de toename van hybride en elektrische voertuigen. Vooral, all-solid-state lithium-zwavelbatterijen hebben de aandacht getrokken vanwege de vijf keer hogere energiedichtheid dan conventionele lithium-ion secundaire batterijen. Echter, zwavel is een isolator, wat dus hun toepassing in batterijapparaten beperkt. Om dit probleem op te lossen, zwavel moet worden voorzien van een ionisch en elektronengeleidend pad.

Onze onderzoeksgroep suggereerde dat kathodecomposieten door een zwavelactief materiaal en koolstofnanovezel (CNF) te combineren door een elektrostatische assemblagemethode, die materialen uniform in een oplossing kan combineren. Volledig solid-state lithium-zwavelbatterijen met zwavel-CNF-composieten en elektrochemisch stabiele Li ₂ S-P ₂ S ₅ -LiI vaste elektrolyten gesynthetiseerd door vloeistoffaseproces vertoonden een hoge ontladingscapaciteit gelijk aan de theoretische capaciteit van zwavel en behielden een hoge capaciteit na herhaalde laad-ontlaadcycli.

De eerste auteur, Assistent-professor Nguyen Huu Huy Phuc van de Toyohashi University of Technology legde de kenmerken uit "Het is vereist dat een actief zwavelmateriaal en een koolstofmateriaal op de juiste manier worden gecombineerd voor het maken van hoogwaardige, volledig solide lithiumzwavelbatterijen. Conventioneel, zwavel-koolstofcomposieten werden gesynthetiseerd door mechanisch mengen, vloeistof mengen met behulp van een speciaal organisch oplosmiddel en ingewikkelde methoden, waarin zwavel wordt gecombineerd met een poreus koolstofmateriaal met een hoog specifiek oppervlak. Echter, er waren maar weinig meldingen dat lithium-zwavelbatterijen in vaste toestand een hoge capaciteit vertoonden die bijna gelijk was aan de theoretische capaciteit van zwavel en een hoge cyclusstabiliteit. Daarom, we hebben ons gericht op het maken van een zwavel-koolstofcomposiet met behulp van een goedkope en eenvoudige elektrostatische adsorptiemethode die nanomaterialen uniform kan combineren. Er werd bevestigd dat zwavel in het zwavel-koolstofcomposiet gesynthetiseerd door de elektrostatische adsorptiemethode werd geaccumuleerd op koolstofnanovezel in de vorm van vellen. We bouwden volledig solid-state lithium-zwavelbatterijen en ontdekten dat zwavel volledig als actief materiaal werd gebruikt. De andere verdienste is dat deze zwavel-koolstofcomposiet tegen lagere kosten kan worden geproduceerd dan conventionele processen."

De elektrostatische adsorptiemethode is dat grotere moederdeeltjes en kleinere deeltjes elektrostatisch worden geadsorbeerd door de oppervlakteladingen van de deeltjes aan te passen met behulp van polyelektrolyten om een ​​elektrostatische interactie te induceren. Hoewel het ontwerp van een verscheidenheid aan keramische composieten door elektrostatische adsorptie al is gerapporteerd, de aanpassing van de oppervlakteladingen van zwavel is moeilijk. Echter, onze onderzoeksgroep slaagde in de ladingsaanpassing door chemische reacties te gebruiken, waarin Na ₂ S en S reageerden in ionenuitgewisseld water om in water oplosbaar Na . te vormen ₂ S ₃ . Daarom, deze studie bereikte een nieuw chemisch proces door het basisprincipe van elektrostatische adsorptie toe te passen.

Deze methode is een goedkope en relatief eenvoudige methode voor het bereiden van zwavel-koolstofcomposieten, dus het is geschikt voor massaproductie. Met deze methode zullen volledig vaste lithium-zwavelbatterijen die een actief zwavelmateriaal gebruiken, in de praktijk worden gebruikt. Daarnaast, er wordt een exponentiële verbetering van de energiedichtheid van elektrische voertuigen verwacht, grote stroombronbatterijen voor huishoudelijk en zakelijk gebruik.