Onderzoekers over de hele wereld zijn op zoek geweest naar batterijen die krachtig zijn, maar kleiner en lichter zijn dan de huidige versies, waardoor elektrische auto's mogelijk verder kunnen reizen of draagbare elektronica langer kan blijven rijden zonder opladen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en in China zeggen dat ze een grote vooruitgang hebben geboekt op dit gebied, met een nieuwe versie van een belangrijk onderdeel voor lithiumbatterijen, de kathode.

Het team beschrijft hun concept als een "hybride" kathode, omdat het aspecten van twee verschillende benaderingen combineert die eerder zijn gebruikt, één om de energie-output per pond te verhogen (gravimetrische energiedichtheid), de andere voor de energie per liter (volumetrische energiedichtheid). De synergetische combinatie, ze zeggen, produceert een versie die de voordelen van beide biedt, en meer.

Het werk wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur Energie , in een paper van Ju Li, een MIT-professor nucleaire wetenschap en techniek en materiaalwetenschap en techniek; Weijiang Xue, een MIT-postdoc; en 13 anderen.

De huidige lithium-ionbatterijen gebruiken meestal kathoden (een van de twee elektroden in een batterij) gemaakt van een overgangsmetaaloxide, maar batterijen met kathodes gemaakt van zwavel worden beschouwd als een veelbelovend alternatief om gewicht te verminderen. Vandaag, de ontwerpers van lithium-zwavelbatterijen staan ​​voor een afweging.

De kathoden van dergelijke batterijen worden meestal op twee manieren gemaakt, zogenaamde intercalatietypes of conversietypes. Intercalatie typen, die verbindingen gebruiken zoals lithiumkobaltoxide, zorgen voor een hoge volumetrische energiedichtheid - met veel punch per volume vanwege hun hoge dichtheden. Deze kathoden kunnen hun structuur en afmetingen behouden terwijl ze lithiumatomen in hun kristallijne structuur opnemen.

De andere kathodebenadering, het conversietype genoemd, gebruikt zwavel dat structureel wordt omgezet en zelfs tijdelijk wordt opgelost in de elektrolyt. "Theoretisch, deze [batterijen] hebben een zeer goede gravimetrische energiedichtheid, " zegt Li. "Maar de volumetrische dichtheid is laag, " deels omdat ze vaak veel extra materialen nodig hebben, inclusief een overmaat aan elektrolyt en koolstof, gebruikt om geleidbaarheid te geven.

In hun nieuwe hybride systeem, de onderzoekers zijn erin geslaagd om de twee benaderingen te combineren tot een nieuwe kathode die zowel een type molybdeensulfide, de Chevrel-fase, bevat, en zuivere zwavel, die samen de beste aspecten van beide lijken te bieden. Ze gebruikten deeltjes van de twee materialen en comprimeerden ze om de vaste kathode te maken. "Het is als de primer en TNT in een explosief, een snelwerkend, en een met een hogere energie per gewicht, "zegt Li.

Onder andere voordelen, de elektrische geleidbaarheid van het gecombineerde materiaal is relatief hoog, waardoor de behoefte aan koolstof wordt verminderd en het totale volume wordt verlaagd, zegt Li. Typische zwavelkathoden bestaan ​​voor 20 tot 30 procent uit koolstof, hij zegt, maar de nieuwe versie heeft slechts 10 procent koolstof nodig.

Het netto-effect van het gebruik van het nieuwe materiaal is aanzienlijk. De huidige commerciële lithium-ionbatterijen kunnen een energiedichtheid hebben van ongeveer 250 wattuur per kilogram en 700 wattuur per liter, terwijl lithium-zwavelbatterijen een topsnelheid hebben van ongeveer 400 wattuur per kilogram, maar slechts 400 wattuur per liter. De nieuwe versie, in de eerste versie die nog geen optimalisatieproces heeft doorlopen, kan al meer dan 360 wattuur per kilogram en 581 wattuur per liter bereiken, zegt Li. Het kan zowel lithium-ion- als lithium-zwavelbatterijen verslaan in termen van de combinatie van deze energiedichtheden.

Met verder werk, hij zegt, "we denken dat we 400 wattuur per kilogram en 700 wattuur per liter kunnen halen, " waarbij dat laatste cijfer gelijk is aan dat van lithium-ion. Reeds, het team is een stap verder gegaan dan veel laboratoriumexperimenten gericht op het ontwikkelen van een grootschalig batterijprototype:in plaats van het testen van kleine knoopcellen met een capaciteit van slechts enkele milliampère-uren, ze hebben een drielaagse pouch cell (een standaard subeenheid in batterijen voor producten zoals elektrische voertuigen) geproduceerd met een capaciteit van meer dan 1, 000 milliampère-uur. Dit is vergelijkbaar met sommige commerciële batterijen, wat aangeeft dat het nieuwe apparaat voldoet aan de voorspelde kenmerken.

Tot dusver, de nieuwe cel kan de levensduur van lithium-ionbatterijen niet helemaal waarmaken in termen van het aantal laad-ontlaadcycli dat het kan doorlopen voordat het te veel stroom verliest om nuttig te zijn. Maar die beperking is "niet het probleem van de kathode"; het heeft te maken met het algehele celontwerp, en "daar werken we aan, " zegt Li. Zelfs in zijn huidige vroege vorm, hij zegt, "dit kan handig zijn voor sommige nichetoepassingen, als een drone met een groot bereik, "waar zowel gewicht als volume belangrijker zijn dan een lange levensduur.

"Ik denk dat dit een nieuwe arena is voor onderzoek, "zegt Li.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.