Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben in het laboratorium een ​​lithium-zwavel (Li/S) batterij aangetoond die meer dan twee keer de specifieke energie heeft van lithium-ionbatterijen, en dat duurt meer dan 1, 500 cycli van laden en ontladen met minimaal verval van de capaciteit van de batterij. Dit is de langste levensduur die tot nu toe is gerapporteerd voor alle lithium-zwavelbatterijen.

De vraag naar hoogwaardige batterijen voor elektrische en hybride elektrische voertuigen die in staat zijn om het bereik en het vermogen van de verbrandingsmotor te evenaren, moedigt wetenschappers aan om nieuwe batterijchemie te ontwikkelen die meer vermogen en energie zou kunnen leveren dan lithium-ionbatterijen, momenteel de best presterende batterijchemie op de markt.

Om elektrische voertuigen een actieradius van 300 mijl te laten hebben, de batterij moet een specifieke energie op celniveau leveren van 350 tot 400 wattuur/kilogram (Wh/kg). Dit zou bijna het dubbele van de specifieke energie (ongeveer 200 Wh/kg) van de huidige lithium-ionbatterijen vereisen. De batterijen moeten ook minimaal 1 hebben 000, en bij voorkeur 1, 500 laad-ontlaadcycli zonder merkbare vermogens- of energieopslagcapaciteitsverlies.

"Onze cellen kunnen een substantiële kans bieden voor de ontwikkeling van emissievrije voertuigen met een rijbereik dat vergelijkbaar is met dat van benzinevoertuigen." zegt Elton Cairns, van de Environmental Energy Technologies Division (EETD).

De resultaten werden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-letters .

Voordelen van lithiumzwavel, en uitdagingen

"De chemie van lithium-zwavelbatterijen heeft de aandacht getrokken omdat deze een veel hogere theoretische specifieke energie heeft dan lithium-ionbatterijen, ", zegt Cairns. "Lithium-zwavelbatterijen zouden ook wenselijk zijn omdat zwavel niet-toxisch is, veilig en goedkoop, " voegt hij eraan toe. Li/S-batterijen zouden goedkoper zijn dan de huidige Li-ion-batterijen, en ze zouden minder vatbaar zijn voor veiligheidsproblemen die Li-ion-batterijen hebben geplaagd, zoals oververhitting en vlam vatten.

De ontwikkeling van de lithium-zwavelbatterij heeft ook zijn uitdagingen. Tijdens de ontlading hebben lithiumpolysulfiden de neiging om van de kathode in de elektrolyten op te lossen en te reageren met de lithiumanode, waardoor een barrièrelaag van Li2S wordt gevormd. Deze chemische afbraak is een van de redenen waarom de celcapaciteit al na enkele cycli begint af te nemen.

Een ander probleem met Li/S-batterijen is dat de omzettingsreactie van zwavel naar Li2S en terug ervoor zorgt dat het volume van de zwavelelektrode opzwelt en samentrekt tot 76 procent tijdens de werking van de cel. wat leidt tot mechanische degradatie van de elektroden. Naarmate de zwavelelektrode uitzet en krimpt tijdens het fietsen, de zwaveldeeltjes kunnen elektrisch geïsoleerd raken van de stroomcollector van de elektrode.

Holistisch celontwerp pakt chemische en mechanische degradatie aan

De prototypecel die door het onderzoeksteam is ontworpen, maakt gebruik van verschillende elektrochemische technologieën om deze reeks problemen aan te pakken. De kathode is samengesteld uit zwavel-grafeenoxide (S-GO), een door het team ontwikkeld materiaal dat de volumeverandering van het actieve materiaal van de elektrode kan opvangen, aangezien zwavel bij ontlading wordt omgezet in Li2S, en terug naar elementaire zwavel bij het opladen.

Om mechanische degradatie door de volumeverandering tijdens bedrijf verder te verminderen, het team gebruikte een elastomeer bindmiddel. Door elastomeer styreen-butadieenrubber (SBR) bindmiddel te combineren met een verdikkingsmiddel, de levensduur en de vermogensdichtheid van de batterijcel namen aanzienlijk toe ten opzichte van batterijen die conventionele bindmiddelen gebruiken.

Om het probleem van het oplossen van polysulfide en de chemische afbraak aan te pakken, heeft het onderzoeksteam een ​​coating van oppervlakteactieve cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) aangebracht die ook wordt gebruikt in systemen voor medicijnafgifte. kleurstoffen, en andere chemische processen. CTAB-coating op de zwavelelektrode vermindert het vermogen van de elektrolyt om het elektrodemateriaal binnen te dringen en op te lossen.

Verder, het team ontwikkelde een nieuwe op ionische vloeistof gebaseerde elektrolyt. De nieuwe elektrolyt remt het oplossen van polysulfiden en helpt de batterij met een hoge snelheid te werken, het verhogen van de snelheid waarmee de batterij kan worden opgeladen, en het vermogen dat het kan leveren tijdens het ontladen. De op ionische vloeistof gebaseerde elektrolyt verbetert ook de veiligheid van de Li-S-batterij aanzienlijk, aangezien ionische vloeistoffen niet-vluchtig en niet-ontvlambaar zijn.

De batterij vertoonde aanvankelijk een geschatte celspecifieke energie van meer dan 500 Wh/kg en hield deze op> 300 Wh/kg na 1, 000 cycli - veel hoger dan die van de momenteel beschikbare lithium-ioncellen, die momenteel gemiddeld ongeveer 200 Wh/kg bedragen.

"Het is de unieke combinatie van deze elementen in de celchemie en het ontwerp die heeft geleid tot een lithium-zwavelcel waarvan de prestaties nog nooit eerder in het laboratorium zijn bereikt - een lange levensduur, hoog tarief vermogen, en specifieke energie op celniveau, ' zegt Cairns.

Het team zoekt nu ondersteuning voor de verdere ontwikkeling van de Li/S-cel, inclusief een hoger zwavelgebruik, werking onder extreme omstandigheden, en opschalen. Er wordt gezocht naar samenwerkingsverbanden met de industrie.

De volgende stappen in de ontwikkeling zijn het verder verhogen van de celenergiedichtheid, celprestaties onder extreme omstandigheden verbeteren, en opschalen naar grotere cellen.