Om te voldoen aan de eisen van een elektrische toekomst, nieuwe batterijtechnologieën zullen essentieel zijn. Een optie is lithiumzwavelbatterijen, die een theoretische energiedichtheid bieden die meer dan vijf keer zo hoog is als die van lithium-ionbatterijen. Onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, onthulde onlangs een veelbelovende doorbraak voor dit type batterij, met behulp van een katholiet met behulp van een grafeenspons.

Het nieuwe idee van de onderzoekers is een poreus, sponsachtige aerogel gemaakt van gereduceerd grafeenoxide dat fungeert als een vrijstaande elektrode in de batterijcel en zorgt voor een beter en hoger gebruik van zwavel.

Een traditionele batterij bestaat uit vier delen. Eerst, er zijn twee ondersteunende elektroden bedekt met een actieve stof, die bekend staan ​​als een anode en een kathode. Daartussen zit een elektrolyt, meestal een vloeistof, waardoor ionen heen en weer kunnen worden overgedragen. De vierde component is een scheidingsteken, die als een fysieke barrière fungeert, waardoor contact tussen de twee elektroden wordt voorkomen en toch de overdracht van ionen mogelijk is.

De onderzoekers experimenteerden eerder met het combineren van de kathode en elektrolyt tot één vloeistof, een zogenaamde 'katholyt'. Het concept kan helpen gewicht te besparen in de batterij, en bieden sneller opladen en betere stroommogelijkheden. Nutsvoorzieningen, met de ontwikkeling van de grafeen-aerogel, het concept is levensvatbaar gebleken, met enkele veelbelovende resultaten.

Als u een standaard knoopcelbatterij neemt, de onderzoekers brachten eerst een dunne laag van de poreuze grafeen-aerogel in. "Je neemt de aerogel, dat is een lange dunne cilinder, en dan snijd je het - bijna als een salami. Jij neemt dat stukje, en comprimeer het zodat het in de batterij past, " zegt Carmen Cavallo van het departement Natuurkunde in Chalmers, en hoofdonderzoeker van het onderzoek. Vervolgens, een zwavelrijke oplossing, de katholiet, wordt toegevoegd aan de batterij. De zeer poreuze aerogel fungeert als ondersteuning, de oplossing opzuigen als een spons.

"De poreuze structuur van de grafeen-aerogel is de sleutel. Het absorbeert een grote hoeveelheid katholiet, waardoor u een voldoende hoog zwavelgehalte krijgt om het katholietconcept de moeite waard te maken. Dit soort halfvloeibare katholiet is hier echt essentieel. Het laat de zwavel heen en weer fietsen zonder verlies. Het gaat niet verloren door oplossing - omdat het al is opgelost in de katholietoplossing, ' zegt Carmen Cavallo.

Een deel van de katholietoplossing wordt ook op de separator aangebracht, zodat het zijn elektrolytrol kan vervullen. Dit maximaliseert ook het zwavelgehalte van de batterij.

De meeste in de handel verkrijgbare batterijen zijn lithium-ionbatterijen. Maar dit type batterij nadert zijn limiet, en nieuwe chemische benaderingen worden essentieel voor toepassingen met hogere vermogensvereisten. Lithium-zwavelbatterijen bieden verschillende voordelen, inclusief een veel hogere energiedichtheid. De beste lithium-ionbatterijen die momenteel op de markt zijn, werken met ongeveer 300 wattuur per kg, met een theoretisch maximum van rond de 350. Lithium-zwavelbatterijen ondertussen, hebben een theoretische energiedichtheid van ongeveer 1000-1500 wattuur per kg.

"Verder, zwavel is goedkoop, zeer overvloedig, en veel milieuvriendelijker. Lithium-zwavelbatterijen hebben ook het voordeel dat ze geen milieubelastende fluor hoeven te bevatten, zoals vaak wordt aangetroffen in lithium-ionbatterijen, " zegt Aleksandar Matic, Professor bij Chalmers Department of Physics, die de onderzoeksgroep achter het papier leidt.

Het probleem met lithiumzwavelbatterijen tot nu toe was hun instabiliteit, en de daaruit voortvloeiende korte levensduur. Huidige versies degenereren snel en hebben een beperkte levensduur met een onpraktisch laag aantal cycli. Maar bij het testen van hun nieuwe prototype, de Chalmers-onderzoekers toonden een capaciteitsbehoud van 85 procent na 350 cycli.

Het nieuwe ontwerp vermijdt de twee belangrijkste problemen met de degradatie van lithiumzwavelbatterijen:een, dat de zwavel oplost in de elektrolyt en verloren gaat, en twee, een 'shuttling-effect, ' waarbij zwavelmoleculen migreren van de kathode naar de anode. Bij dit ontwerp is deze ongewenste problemen worden drastisch verminderd.

Het artikel, "Een vrijstaande gereduceerde grafeenoxide-aerogel als ondersteunende elektrode in een fluorvrije Li ₂ S ₈ katholiet Li-S batterij, " is gepubliceerd in de Journal of Power Sources .

De onderzoekers merken op, echter, dat er nog een lange weg te gaan is voordat de technologie het volledige marktpotentieel kan bereiken. "Aangezien deze batterijen op een alternatieve manier van de meeste normale batterijen worden geproduceerd, nieuwe productieprocessen moeten worden ontwikkeld om ze commercieel levensvatbaar te maken, ', zegt Aleksandar Matic.