Wanneer kunnen we verwachten dat we heel Duitsland in een elektrische auto kunnen rijden zonder de accu bij te hoeven laden? Chemici bij het NIM-cluster bij LMU en bij de Universiteit van Waterloo in Ontario, Canada, hebben nu een nieuw materiaal gesynthetiseerd dat de weg vooruit zou kunnen wijzen naar ultramoderne lithium-zwavelbatterijen.

Of de toekomst van het autoverkeer bij de zacht spinnende elektrische auto hoort, hangt grotendeels af van de ontwikkeling van zijn accu's. De industrie vestigt momenteel de meeste hoop op lithium-zwavelbatterijen, die een zeer hoge opslagcapaciteit hebben. Bovendien, dankzij de toevoeging van zwavelatomen, ze zijn goedkoper te maken en minder giftig dan conventionele lithium-ion power packs.

Echter, de lithium-zwavelbatterij biedt nog steeds een aantal grote uitdagingen die moeten worden opgelost totdat deze in auto's kan worden geïntegreerd. Bijvoorbeeld, zowel de snelheid als het aantal mogelijke laad-ontlaadcycli moet worden verhoogd voordat de lithium-zwavelbatterij een realistisch alternatief kan worden voor lithium-ionbatterijen.

Veel poriën voor zwavel

De chemici Professor Thomas Bein (LMU), Coördinator van de Energy Conversion Division van het Nanosystems Initiative München, Professor Linda Nazar (Universiteit van Waterloo, Waterloo Institute of Nanotechology) en hun collega's zijn er nu in geslaagd een nieuw type nanovezel te produceren, waarvan de zeer geordende en poreuze structuur het een buitengewoon hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding geeft. Dus, een monster van het nieuwe materiaal ter grootte van een suikerklontje heeft een oppervlakte die gelijk is aan die van meer dan zeven tennisbanen.

"De hoge oppervlakte-tot-volume verhouding, en een hoog porievolume is belangrijk omdat het zwavel in staat stelt om op een fijn verdeelde manier aan de elektrode te binden, met relatief hoge belasting. Samen met de gemakkelijke bereikbaarheid, dit verhoogt de efficiëntie van de elektrochemische processen die plaatsvinden in de loop van laad-ontlaadcycli. En de snelheid van de belangrijkste reacties op het zwavelelektrode-elektrolyt-interface, waarbij zowel elektronen als ionen betrokken zijn, zijn sterk afhankelijk van de totale beschikbare oppervlakte, " zoals Benjamin Mandlmeier, een postdoc in Bein's Institute en een eerste co-auteur van de nieuwe studie, verklaart.

Het geheime recept

Een nieuw recept en een uitgekiende wijze van synthese zijn de belangrijkste factoren die de eigenschappen van de nieuwe materialen bepalen. Om de koolstofvezels te synthetiseren, de chemici bereiden eerst een poreuze, buisvormige silicasjabloon, vanaf in de handel verkrijgbaar, maar niet-poreuze vezels. Dit sjabloon wordt vervolgens gevuld met een speciaal mengsel van koolstof, siliciumdioxide en oppervlakteactieve stoffen, die vervolgens wordt verwarmd tot 900°C. Ten slotte worden de sjabloon en het SiO2 verwijderd door een etsproces. Tijdens de procedure, de koolstofnanobuisjes - en dus de poriegrootte - krimpen in mindere mate dan ze zouden doen zonder de opsluitende sjabloon, en de vezels zelf zijn dienovereenkomstig stabieler.

"Nanogestructureerde materialen hebben een groot potentieel voor de efficiënte omzetting en opslag van elektrische energie, ", zegt Thomas Bein. "Wij in het NIM-cluster zullen nauw blijven samenwerken met onze collega's in het Beierse SolTech-netwerk om de eigenschappen van dergelijke structuren en hun praktische toepassingen te verkennen en te exploiteren."