Van smartphones tot e-bikes, het aantal mobiele elektronische apparaten groeit gestaag over de hele wereld. Als resultaat, er is een grotere behoefte aan batterijen die klein en licht zijn, maar krachtig. Aangezien het potentieel voor verdere verbetering van lithium-ionbatterijen bijna uitgeput is, experts wenden zich nu tot een nieuw en veelbelovend apparaat voor energieopslag:lithium-zwavelbatterijen.

In een belangrijke stap in de verdere ontwikkeling van dit type batterij, een team onder leiding van professor Thomas Bein van LMU München en Linda Nazar van Waterloo University in Canada heeft poreuze koolstofnanodeeltjes ontwikkeld die zwavelmoleculen gebruiken om de grootst mogelijke efficiëntie te bereiken.

In prototypes van de lithium-zwavelbatterij, lithiumionen worden uitgewisseld tussen lithium- en zwavelkoolstofelektroden. De zwavel speelt een bijzondere rol in dit systeem:onder optimale omstandigheden, het kan twee lithiumionen per zwavelatoom absorberen. Het is daarom door zijn lage gewicht een uitstekend energieopslagmateriaal. Tegelijkertijd, zwavel is een slechte geleider, wat betekent dat elektronen tijdens het laden en ontladen alleen met grote moeite kunnen worden getransporteerd. Om het ontwerp van deze batterij te verbeteren, streven de wetenschappers van Nanosystems Initiative München (NIM) ernaar om zwavelfasen te genereren met een zo groot mogelijk grensvlak voor elektronenoverdracht door ze te koppelen aan een geleidend materiaal met nanostructuur.

Hiertoe, Thomas Bein en zijn team bij NIM ontwikkelden eerst een netwerk van poreuze koolstofnanodeeltjes. De nanodeeltjes hebben poriën van 3 tot 6 nanometer breed, waardoor de zwavel gelijkmatig wordt verdeeld. Op deze manier, bijna alle zwavelatomen zijn beschikbaar om lithiumionen te accepteren. Tegelijkertijd bevinden ze zich ook dicht bij de geleidende koolstof.

"De zwavel is elektrisch zeer toegankelijk in deze nieuwe en zeer poreuze koolstofnanodeeltjes en is gestabiliseerd zodat we een hoge initiële capaciteit van 1200 mAh/g en een goede cyclusstabiliteit kunnen bereiken, " legt Thomas Bein uit. "Onze resultaten onderstrepen het belang van nanomorfologie voor de prestaties van nieuwe energieopslagconcepten."

De koolstofstructuur vermindert ook het zogenaamde polysulfideprobleem. Polysulfiden ontstaan ​​als tussenproducten van de elektrochemische processen en kunnen een negatieve invloed hebben op het laden en ontladen van de batterij. Het koolstofnetwerk bindt de polysulfiden, echter, totdat hun omzetting in het gewenste dilithiumsulfide is bereikt. De wetenschappers waren ook in staat om het koolstofmateriaal te coaten met een dunne laag siliciumoxide die beschermt tegen polysulfiden zonder de geleidbaarheid te verminderen.

Overigens, de wetenschappers hebben ook een record gevestigd met hun nieuwe materiaal:volgens de laatste gegevens hun materiaal heeft het grootste interne porievolume (2,32 cm3/g) van alle mesoporeuze koolstofnanodeeltjes, en een extreem groot oppervlak van 2445 m2/g. Dit komt ongeveer overeen met een object met de inhoud van een suikerklontje en de oppervlakte van tien tennisbanen. Grote oppervlakken zoals deze kunnen binnenkort in onze batterijen worden verborgen.