Lithium-zwavelbatterijen zijn een hot topic in batterijonderzoek vanwege hun vermogen om tot 10 keer meer energie te produceren dan conventionele batterijen, wat betekent dat ze veelbelovend zijn voor toepassingen in energie-eisende elektrische voertuigen.

Echter, er zijn fundamentele obstakels geweest voor de commercialisering van deze zwavelbatterijen. Een van de belangrijkste problemen is de neiging tot lithium- en zwavelreactieproducten, lithiumpolysulfiden genoemd, om op te lossen in de elektrolyt van de batterij en permanent naar de tegenoverliggende elektrode te gaan. Hierdoor neemt de capaciteit van de batterij gedurende de levensduur af.

Onderzoekers van het Bourns College of Engineering aan de Universiteit van Californië, Riverside heeft een strategie onderzocht om dit fenomeen van "polysulfide pendel" te voorkomen door zwaveldeeltjes van nanogrootte te creëren, en ze bekleden met silica (SiO2), ook wel glas genoemd.

Het werk is beschreven in een paper, "SiO2 - gecoate zwaveldeeltjes als kathodemateriaal voor lithium-zwavelbatterijen, " zojuist online gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal . In aanvulling, de onderzoekers zijn uitgenodigd om hun werk in te dienen voor publicatie in het themanummer Graphene-based Energy Devices in RSC Nanoscale.

doctoraat studenten in de onderzoeksgroepen van Cengiz Ozkan en Mihri Ozkan hebben gewerkt aan het ontwerpen van een kathodemateriaal waarin silica-kooien polysulfiden met een zeer dunne schil van silica "vangen", en de polysulfideproducten van de deeltjes worden nu geconfronteerd met een vangbarrière - een glazen kooi. Het team gebruikte een organische voorloper om de vangbarrière te bouwen.

"Onze grootste uitdaging was om het proces om SiO2 te deponeren te optimaliseren - niet te dik, niet te dun, over de dikte van een virus", zei Mihri Ozkan.

Afgestudeerde studenten Brennan Campbell, Jeffrey Bell, Hamed Hosseini-baai, Zachary gunsten, en Robert Ionescu ontdekte dat in silica gekooide zwaveldeeltjes een aanzienlijk hogere batterijprestatie leverden, maar vond dat verdere verbetering noodzakelijk was vanwege de uitdaging met het breken van de SiO2-omhulling.

"We hebben besloten om licht gereduceerd grafeenoxide (mrGO) op te nemen, een naaste verwant van grafeen, als geleidend additief in het ontwerp van kathodemateriaal, om mechanische stabiliteit te bieden aan de glazen kooiconstructies", zei Cengiz Ozkan.

De kathode van de nieuwe generatie zorgde voor een nog dramatischer verbetering dan het eerste ontwerp, omdat het team zowel een polysulfide-vangende barrière als een flexibele grafeenoxidedeken heeft ontworpen die de zwavel en silica samen gebruikt tijdens het fietsen.

"Het ontwerp van de kern-schaalstructuur bouwt in wezen op de functionaliteit van polysulfide-oppervlakte-adsorptie van de silicaschaal, zelfs als de schaal breekt", zei Brennan Campbell. "De integratie van mrGO dient het systeem goed om de polysulfidevallen op hun plaats te houden. Zwavel is vergelijkbaar met zuurstof in zijn reactiviteit en energie, maar brengt nog steeds fysieke uitdagingen met zich mee, en ons nieuwe kathodeontwerp zorgt ervoor dat zwavel kan uitzetten en krimpen, en aangewend worden."