De onderzoeksgroep van professor Jong-Sung Yu in de afdeling Energiewetenschappen en Engineering van DGIST ontwikkelde een technologie voor een poreuze tussenlaag van silicium door zwavel, een actief materiaal, in silicium te laden. Deze nieuwe benadering zal naar verwachting cruciaal zijn voor de R&D en commercialisering van lithium-zwavelbatterijen van de volgende generatie, waarbij energiedichtheid en stabiliteit essentieel zijn.

Met de recente toename van de vraag naar apparaten voor energieopslag met grote capaciteit, is er actief onderzoek gedaan naar hoogwaardige, goedkope secundaire batterijen van de volgende generatie die lithium-ionbatterijen kunnen vervangen. Lithium-zwavelbatterijen, die zwavel als kathodemateriaal gebruiken, hebben een energiedichtheid die vele malen hoger is dan die van conventionele lithium-ionbatterijen, die dure zeldzame aardelementen als kathodemateriaal gebruiken. Daarom wordt verwacht dat de op zwavel gebaseerde batterij meer geschikt zal zijn voor apparaten met hoge energie, zoals elektrische voertuigen en drones. Bovendien is onderzoek naar lithium-zwavelbatterijen wijdverbreid omdat zwavel goedkoop, overvloedig en niet-toxisch is.

Aan de andere kant heeft zwavel, een actief element dat elektrische energie produceert, een lage geleidbaarheid, en polysulfide dat wordt gegenereerd tijdens het opladen en ontladen van de batterij diffundeert naar de negatieve elektrode van de batterij, wat resulteert in het verlies van zwavel door zijn reactie met lithium. Dienovereenkomstig verslechteren de capaciteit en levensduur van de batterij aanzienlijk. Dit probleem is verholpen door een nieuwe laag aan te brengen tussen de zwavelelektrode en de separator (midden) die polysulfide kan absorberen en diffusie kan blokkeren.

Geleidende koolstof, die momenteel wordt gebruikt als een tussenlaagtechnologie om de capaciteit en levensduur van lithium-zwavelbatterijen te verbeteren, zorgt voor geleidbaarheid aan de zwavelelektrode. De diffusie van zwavel kan echter niet worden voorkomen omdat de affiniteit met het polaire lithiumpolysulfide laag is. Aan de andere kant, als een polair oxide wordt gebruikt als materiaal voor de tussenlaag, wordt het verlies aan zwavel onderdrukt vanwege de sterke interactie met lithiumpolysulfide. Het gebruik van zwavel is echter lager vanwege de lage geleidbaarheid. Bovendien zijn de verschillende eerder bestudeerde tussenlaagmaterialen niet ideaal omdat ze vanwege hun dikte en lage redoxactiviteit niet de energiedichtheid en levensduur kunnen bereiken die nodig zijn voor commercialisering.

Om deze nadelen aan te pakken, implementeerde het onderzoeksteam eerst een nieuwe redox-actieve poreuze silica/zwavel tussenlaag door zwavel toe te voegen aan de silica na synthese van de plaatvormige poreuze silica. Ze voorspelden dat de capaciteit en levensduurefficiëntie van de lithium-zwavelbatterijen zou worden gemaximaliseerd vanwege de door zwavel geïnduceerde toename van de capaciteit per celoppervlak, omdat er extra zwavel in de tussenlaag werd geladen, wat ook zou kunnen werken als een effectief lithiumpolysulfide adsorptiesite.

Om deze theorie te onderzoeken, werd de silica/zwavel-tussenlaag aangebracht op een lithium-zwavelbatterij, die vervolgens 700 keer werd opgeladen en ontladen. Als resultaat bereikte de poreuze silica/zwavel-tussenlaag een veel hogere stabiliteit op lange termijn dan de conventionele poreuze koolstof/zwavel-tussenlaag na 700 laad-/ontlaadcycli. In het bijzonder vertoonde de batterij een hoge capaciteit en duurzame, langdurige eigenschappen, zelfs bij een hoog zwavelgehalte van 10 mg/cm ² en een lage elektrolyt:zwavel (E/S) concentratie van 4. Daarom is het bijna klaar voor praktische toepassing.

Professor Jong-Sung Yu verklaarde:"Onze studie is de eerste die aantoont dat zwavel in de poriën van een poreus silicamateriaal kan worden geladen om als tussenlaagmateriaal voor lithium-zwavelbatterijen te dienen, waardoor hun capaciteit en levensduur worden verbeterd." Hij voegde eraan toe:"Dit resultaat is een nieuwe mijlpaal in de ontwikkeling van lithium-zwavelbatterijen met hoge energie en een lange levensduur van de volgende generatie."

Deze studie werd uitgevoerd in samenwerking met het team van Dr. Amine Khalil in het Argonne National Laboratory (ANL). Dr. Byung-Jun Lee, die zijn Ph.D. onder leiding van professor Jong-Sung Yu van het Department of Energy and Science and Engineering van DGIST, was de eerste auteur. Dit onderzoek is op 8 augustus online gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Lithium-zwavelbatterij van de volgende generatie lost het zwavelverliesprobleem op