(PhysOrg.com) -- Door kleine zwaveldeeltjes in grafeenvellen te wikkelen, Onderzoekers van Stanford University hebben een veelbelovend kathodemateriaal gesynthetiseerd voor oplaadbare lithium-zwavelbatterijen die op grote schaal kunnen worden gebruikt voor het aandrijven van elektrische voertuigen. In combinatie met op silicium gebaseerde anoden, de nieuwe grafeen-zwavelkathoden zouden kunnen leiden tot oplaadbare batterijen met een aanzienlijk hogere energiedichtheid dan nu mogelijk is.

De onderzoekers, geleid door Yi Cui en Hongjie Dai van Stanford University, hebben hun studie gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Zoals de onderzoekers in hun onderzoek uitleggen, om elektrische voertuigen aan te drijven die concurreren met benzinevoertuigen, een van de grootste uitdagingen is het verbeteren van de energie- en vermogensdichtheid van oplaadbare lithiumbatterijen. De zwakke plek van de batterijen zijn momenteel de kathodematerialen, die specifieke capaciteiten hebben die veel lager zijn dan die van de anodematerialen. (De specifieke capaciteiten voor kathodematerialen zijn ongeveer 150 mAh/g voor laagoxiden en 170 mAh/g voor LiFe-PO4, terwijl die voor anodematerialen 370 mAh/g voor grafiet en 4200 mAh/g voor silicium zijn.)

Om de kathode te verbeteren, de onderzoekers wendden zich tot zwavel, met een theoretische specifieke capaciteit van 1672 mAh/g, ongeveer vijf keer hoger dan die van traditionele kathodematerialen. Hoewel zwavel andere voordelen heeft, zoals lage kosten en een gunstige milieu-impact, het heeft ook enkele nadelen. Bijvoorbeeld, zwavel is een slechte geleider, het zet uit tijdens ontlading, en de polysulfiden lossen op in elektrolyt. Samen, deze problemen veroorzaken een korte levensduur, lage specifieke capaciteit, en lage energie-efficiëntie.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het toevoegen van koolstof aan zwavel de elektrische geleidbaarheid van zwavel kan verhogen. Maar hoewel verschillende koolstof-zwavelcomposieten specifieke capaciteiten van meer dan 1000 mAh/g hebben bereikt, hun levensduur is nog steeds laag; het blijft een uitdaging om deze hoge capaciteiten meer dan 100 cycli vast te houden.

"We hebben een strategie ontwikkeld voor het omwikkelen van grafeen om veel problemen op te lossen die verband houden met het gebruik van zwavel als kathodes voor lithium-ionbatterijen, Cui vertelde PhysOrg.com . “We hebben uitstekende wielerprestaties laten zien.”

Om deze hoge prestatie te bereiken, de Stanford-onderzoekers hebben de zwavel wat aangepast. Eerst, ze bedekten submicrometer zwaveldeeltjes met poly (ethyleenglycol) (PEG) om de polysulfiden op te vangen en hun oplossing te voorkomen. De flexibele PEG-coating verbetert ook de levensduur van de cyclus door de volume-expansie van de zwaveldeeltjes tijdens het ontladingsgedeelte van elke cyclus op te vangen. Volgende, de onderzoekers wikkelden de gecoate zwaveldeeltjes in grafeenvellen versierd met koolstofzwarte nanodeeltjes, wat de geleidbaarheid van de zwavelkathode verbetert. De los gepakte grafeenlaag vangt ook polysulfiden verder op en neemt de volume-uitbreiding van de zwavel op.

"Dit is een zeer rationeel materiaalontwerp om de problemen van het oplossen van polysulfide te overwinnen, zei Hailiang Wang, hoofdauteur van het artikel.

De onderzoekers toonden aan dat de resulterende grafeen-zwavelkathode hoge specifieke capaciteiten kan bereiken van 500-600 mAh/g gedurende meer dan 100 cycli. Het nieuwe kathodemateriaal zou kunnen worden gebruikt om oplaadbare batterijen te maken met een hogere energiedichtheid dan die van andere oplaadbare batterijen van vandaag.

“De capaciteitsvervaging is slechts ongeveer 10-15% voor 100 cycli, wat erg spannend is, ” zei co-auteur Yuan Yang, die elektroden en cellen maakten in het project.

Echter, voordat dergelijke batterijen kunnen worden vervaardigd, de onderzoekers moeten het hoofd bieden aan de grote prestatievariabiliteit van de lithium-zwavelbatterijen die ze in dit onderzoek hebben getest. Bijvoorbeeld, ongeveer 30-50% van de batterijen had een verval van 20-25% over 100 cycli. In de toekomst, de onderzoekers hopen de capping van zwavel te blijven verbeteren om lossless cycling mogelijk te maken.

“Over het algemeen, de grootste uitdagingen voor oplaadbare batterijen voor elektrische voertuigen zijn het verhogen van de energiedichtheid en het verlagen van de kosten, ' zei Cui. “Het gebruik van energierijke en goedkope materialen zoals zwavel is heel aantrekkelijk.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.