Elektrische voertuigen zouden verder kunnen reizen en er zou meer hernieuwbare energie kunnen worden opgeslagen met lithium-zwavelbatterijen die een uniek poedervormig nanomateriaal gebruiken.

Onderzoekers voegden het poeder toe, een soort nanomateriaal dat een metaalorganisch raamwerk wordt genoemd, aan de kathode van de batterij om problematische polysulfiden op te vangen die er meestal voor zorgen dat lithium-zwavelbatterijen na een paar keer opladen defect raken. Een paper waarin het materiaal en de prestaties ervan werden beschreven, werd op 4 april online gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

"Lithium-zwavelbatterijen hebben het potentieel om de elektrische voertuigen van morgen van stroom te voorzien. maar ze moeten na elke lading langer meegaan en herhaaldelijk kunnen worden opgeladen, " zei materiaalchemicus Jie Xiao van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy. "Ons metalen organische raamwerk kan een nieuwe manier bieden om dat mogelijk te maken."

De elektrische voertuigen van tegenwoordig worden doorgaans aangedreven door lithium-ionbatterijen. Maar de chemie van lithium-ionbatterijen beperkt de hoeveelheid energie die ze kunnen opslaan. Als resultaat, Bestuurders van elektrische voertuigen maken zich vaak zorgen over hoe ver ze kunnen gaan voordat ze moeten opladen. Een veelbelovende oplossing is de lithium-zwavelbatterij, die tot vier keer meer energie per massa kan bevatten dan lithium-ionbatterijen. Hierdoor zouden elektrische voertuigen verder kunnen rijden op één lading, en helpen meer duurzame energie op te slaan. De keerzijde van lithium-zwavelbatterijen, echter, is dat ze een veel kortere levensduur hebben omdat ze momenteel niet zo vaak kunnen worden opgeladen als lithium-ionbatterijen.

Energieopslag 101

De reden kan worden gevonden in hoe batterijen werken. De meeste batterijen hebben twee elektroden:de ene is positief geladen en wordt een kathode genoemd, terwijl de tweede negatief is en een anode wordt genoemd. Elektriciteit wordt opgewekt wanneer elektronen door een draad stromen die de twee verbindt. Om de elektronen te controleren, positief geladen atomen schuiven van de ene elektrode naar de andere via een ander pad:de elektrolytoplossing waarin de elektroden zitten.

De belangrijkste obstakels van de lithium-zwavelbatterij zijn ongewenste nevenreacties die de levensduur van de batterij verkorten. De ongewenste actie begint op de zwavelhoudende kathode van de batterij, die langzaam uiteenvalt en moleculen vormt die polysulfiden worden genoemd en die oplossen in de vloeibare elektrolyt. Een deel van de zwavel - een essentieel onderdeel van de chemische reacties van de batterij - keert nooit terug naar de kathode. Als resultaat, de kathode heeft minder materiaal om de reacties gaande te houden en de batterij gaat snel dood.

Nieuwe materialen voor betere batterijen

Onderzoekers over de hele wereld proberen de materialen voor elk batterijonderdeel te verbeteren om de levensduur en het reguliere gebruik van lithium-zwavelbatterijen te verlengen. Voor dit onderzoek is Xiao en haar collega's hebben de kathode verbeterd om te voorkomen dat polysulfiden door de elektrolyt bewegen.

Veel materialen met kleine gaatjes zijn onderzocht om polysulfiden fysiek in de kathode op te sluiten. Metalen organische raamwerken zijn poreus, maar de toegevoegde sterkte van het materiaal van PNNL is het vermogen om de polysulfidemoleculen sterk aan te trekken.

Het positief geladen nikkelcentrum van het raamwerk bindt de polysulfidemoleculen stevig aan de kathoden. Het resultaat is een coördinaat covalente binding die, in combinatie met de poreuze structuur van het raamwerk, zorgt ervoor dat de polysulfiden blijven zitten.

"De zeer poreuze structuur van de MOF is een pluspunt dat het polysulfide verder stevig vasthoudt en ervoor zorgt dat het binnen de kathode blijft, " zei PNNL-elektrochemicus Jianming Zheng.

Nanomateriaal is de sleutel

Metaalorganische raamwerken - ook wel MOF's genoemd - zijn kristalachtige verbindingen gemaakt van metaalclusters die zijn verbonden met organische moleculen, of linkers. Samen, de clusters en linkers assembleren tot poreuze 3D-structuren. MOF's kunnen een aantal verschillende elementen bevatten. PNNL-onderzoekers kozen het overgangsmetaal nikkel als het centrale element voor deze specifieke MOF vanwege het sterke vermogen om te interageren met zwavel.

Tijdens laboratoriumtesten, een lithium-zwavelbatterij met PNNL's MOF-kathode behield 89 procent van zijn oorspronkelijke stroomcapaciteit na 100 laad- en ontlaadcycli. Nadat ze de effectiviteit van hun MOF-kathode hebben aangetoond, PNNL-onderzoekers zijn nu van plan om het materiaalmengsel van de kathode verder te verbeteren, zodat het meer energie kan vasthouden. Het team moet ook een groter prototype ontwikkelen en dit voor langere tijd testen om de prestaties van de kathode voor de echte wereld te evalueren. grootschalige toepassingen.

PNNL gebruikt ook MOF's in energiezuinige adsorptiekoelmachines en om nieuwe katalysatoren te ontwikkelen om chemische reacties te versnellen.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

In januari, een Natuurcommunicatie paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.