(Phys.org) — De wereld van oplaadbare batterijen zit vol met compromissen. Hoewel lithium-ionbatterijen (Li-ion) momenteel commercieel het meest succesvol zijn, hun lage energiedichtheid maakt een groot rijbereik niet mogelijk. Ze zijn ook erg duur, vaak goed voor de helft van de prijs van elektrische voertuigen. Een alternatief zijn lithium-zwavel (Li-S) batterijen, die aantrekkelijk zijn vanwege hun hoge gravimetrische energiedichtheid, waardoor ze meer energie kunnen opslaan dan Li-ionbatterijen. En hoewel ze nog steeds wat lithium gebruiken, door de zwavelcomponent zijn ze veel goedkoper dan Li-ionbatterijen. Maar een van de grootste nadelen van Li-S-batterijen is hun korte levensduur, waardoor ze elke keer dat ze worden opgeladen veel van hun capaciteit verliezen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van Yi Cui, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Stanford University, heeft een Li-S-batterij ontwikkeld die meer dan 80% van zijn capaciteit van 1180 mAh/g kan vasthouden gedurende 300 cycli, met het potentieel voor vergelijkbaar capaciteitsbehoud gedurende duizenden cycli. In tegenstelling tot, de meeste Li-S-batterijen verliezen veel van hun capaciteit na enkele tientallen cycli.

Om deze verbetering te realiseren, de onderzoekers identificeerden eerst een nieuw mechanisme dat capaciteitsverval in Li-S-batterijen veroorzaakt na het fietsen. Om een ​​Li-S-batterij met succes op te laden, het lithiumsulfide in de kathode moet aan het kathodeoppervlak worden gebonden - in dit geval het binnenoppervlak van de holle koolstof nanovezel die het inkapselt. Deze binding zorgt voor een goed elektrisch contact om de laadstroom mogelijk te maken. Maar de onderzoekers ontdekten dat, tijdens het ontslagproces, het lithiumsulfide laat los van de koolstof, resulterend in een verlies van elektrisch contact waardoor de batterij niet volledig kan worden opgeladen.

Voor nu, het was een hele uitdaging om de zwavelkathode op nanoschaal te bestuderen vanwege de gevoeligheid van de zwavelverbinding voor lucht en vocht, evenals zijn neiging om onder vacuüm te sublimeren. Maar de holle koolstof nanovezelstructuur van de anode - die de onderzoekers in een eerdere studie ontwikkelden - beschermt de zwavel, waardoor de onderzoekers de kathode konden bekijken met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) zonder het monster significant te beschadigen.

Na het identificeren van het probleem, de onderzoekers begonnen het te repareren door polymeren toe te voegen aan het koolstof-nanovezeloppervlak om het koolstof-zwavel-interface te wijzigen. De polymeren zijn amfifiel, wat betekent dat ze zowel hydrofiel (waterminnend) als lipofiel (vetminnend) zijn, vergelijkbaar met zeep. Deze eigenschap geeft de polymeren verankeringspunten waardoor de lithiumsulfiden sterk kunnen binden met het koolstofoppervlak om sterke elektrische contacten te behouden.

Zoals experimenten hebben aangetoond, zwavelkathoden die de amfifiele polymeren bevatten, hadden een zeer stabiele prestatie, met minder dan 3% capaciteitsverlies over de eerste 100 cycli, en minder dan 20% verval gedurende meer dan 300 cycli.

Hoewel de verbetering een grote stap voorwaarts is, het capaciteitsbehoud is nog steeds niet te vergelijken met Li-ion-batterijen, waarvan sommige een levensduur hebben van bijna 10, 000 cycli. Om te voorkomen dat de batterij om de paar jaar moet worden vervangen, elektrische voertuigen hebben deze langere levensduur nodig. Maar Cui zegt dat Li-S-batterijen het potentieel hebben om deze kloof in de nabije toekomst te dichten.

"Met behulp van het amfifiele polymeer-idee hier in dit artikel, samen met het ontwerp en de synthese van materialen op nanoschaal, het is mogelijk om de levensduur te verbeteren tot 10, 000 cycli, " vertelde Cui Phys.org . "Mijn groep werkt hieraan. Onze recente resultaten over het ontwerp van nanomaterialen zijn al verbeterd tot 1000 cycli."

In de toekomst, Cui denkt dat Li-S-batterijen Li-ion-batterijen serieuze concurrentie zullen geven.

"De Li-S-batterijen worden behoorlijk veelbelovend voor elektrische voertuigen, " zei hij. "De levenscyclus moet verder verbeteren. Het veiligheidsprobleem van de lithium-metaalanoden moet worden opgelost. Het is mogelijk om Li-metaalanoden te omzeilen met Si-anoden."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.