Naarmate onze samenleving en transportsystemen steeds meer geëlektrificeerd worden, wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar efficiëntere opslagsystemen met een hogere capaciteit. Onderzoekers van KAUST hebben een belangrijke bijdrage geleverd door lithium-zwavel (Li-S) batterijen te modificeren om een ​​probleem te onderdrukken dat bekend staat als polysulfide pendelen.

"Het knelpunt in het gebruik van hernieuwbare energie, vooral in het vervoer, is de behoefte aan batterijen met een hoge dichtheid, " zegt Eman Alhajji, doctoraat student en eerste auteur van het onderzoeksartikel.

Li-S-batterijen hebben verschillende potentiële voordelen ten opzichte van de meest gebruikte typen batterijen. Ze hebben een hogere theoretische energieopslagcapaciteit en zwavel is een niet-toxisch element dat gemakkelijk in de natuur verkrijgbaar is. Zwavel is ook een afvalproduct van de petrochemische industrie, zodat het relatief goedkoop kan worden verkregen en tegelijkertijd de duurzaamheid van een andere industrie kan worden vergroot.

Bij polysulfide-pendelverkeer worden zwavelhoudende tussenproducten tussen de kathode en anode verplaatst tijdens de chemische processen van de batterij. Dit verslechtert de capaciteit en het oplaadvermogen van de tot nu toe onderzochte Li-S-batterijtechnologieën.

De oplossing van het KAUST-team is gebaseerd op een laag grafeen. Ze maken dit door een polyimidepolymeer te onderwerpen aan laserenergie in een proces dat laserschrijven wordt genoemd, het creëren van een geschikt gestructureerd poreus materiaal. Een belangrijk kenmerk is dat het materiaal hiërarchisch poreus is in drie dimensies, wat betekent dat het een reeks poriën van verschillende groottes heeft. Koolstofdeeltjes van nanoformaat worden vervolgens toegevoegd en opgenomen door de poriën om het eindproduct te vormen.

Alhajji en haar collega's ontdekten dat het plaatsen van een dunne laag van dit materiaal tussen de kathode en anode van een Li-S-batterij het pendelen van polysulfide aanzienlijk onderdrukt.

"Het was een uitdaging om deze vrijstaande tussenlaag van slechts enkele micrometers dik te maken, " zegt Alhajji, toevoegen, "Het was leuk om het als speeldeeg te rollen, maar toen moest ik het op een heel zachte manier aanpakken, vooral tijdens batterijmontage."

Tot nu, de meeste opties die zijn voorgesteld om het polysulfide-shuttleprobleem op te lossen, hebben te lijden gehad van beperkingen die ze ongeschikt maken voor grootschalige commerciële toepassing. In tegenstelling tot, het met laser gegraveerde grafeen dat bij KAUST is ontwikkeld, wordt geproduceerd met een methode die de onderzoekers beschrijven als 'schaalbaar en eenvoudig'.

Alhajji won een Materials Research Society Best Poster Award 2021 op basis van haar idee om het pendelen te onderdrukken. "Dit is een heel uitdagende wedstrijd, " zegt Alhajji's supervisor Husam Alshareef, toevoegen, "Slechts een handvol studenten van de opleiding Materials Science &Engineering aan KAUST hebben deze prijs gewonnen."