Wetenschappers uit Singapore van NanoBio Lab (NBL) van A*STAR hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om lithium-zwavelkathodes van de volgende generatie te maken, wat het typisch tijdrovende en gecompliceerde proces voor het produceren ervan vereenvoudigt. Dit is een veelbelovende stap in de richting van de commercialisering van lithium-zwavelbatterijen, en komt tegemoet aan de behoefte van de industrie aan een praktische benadering voor het opschalen van de productie van nieuwe materialen die de batterijprestaties verbeteren.

Hoewel de lithium-ionbatterij algemeen wordt erkend als een geavanceerde technologie die moderne communicatieapparaten efficiënt van stroom kan voorzien, het heeft nadelen zoals beperkte opslagcapaciteit en veiligheidsproblemen vanwege de inherente elektrochemische instabiliteit. Dit gaat veranderen met een nieuwe vereenvoudigde techniek die is ontwikkeld door het team van onderzoekers van NBL, bij de ontwikkeling van lithium-zwavelkathoden uit goedkope, in de handel verkrijgbare materialen. Zwavel's hoge theoretische energiedichtheid, lage kosten en overvloed dragen bij aan de populariteit van lithium-zwavelbatterijsystemen als een potentiële vervanging voor lithium-ionbatterijen.

theoretisch, lithium-zwavelbatterijen kunnen tot 10 keer meer energie opslaan dan lithium-ionbatterijen, maar kunnen dit tot op heden niet volhouden door herhaaldelijk opladen en ontladen van de batterij. De lithium-zwavelkathode van NBL vertoonde een uitstekende specifieke capaciteit van maximaal 1, 220 mAh/g, wat betekent dat 1 gram van dit materiaal een lading van 1, 220mAh. In tegenstelling tot, een typische lithium-ion kathode heeft een specifieke energiecapaciteit van 140 mAh/g. In aanvulling, De kathode van NBL kan zijn hoge capaciteit behouden over 200 laadcycli met minimaal prestatieverlies. De sleutel tot dit was NBL's unieke tweestapsbenadering van het voorbereiden van de kathode.

Door eerst de koolstofgastheer te bouwen voordat de zwavelbron wordt toegevoegd, de onderzoekers verkregen een 3D onderling verbonden poreus nanomateriaal. Deze aanpak voorkomt dat de koolstofsteiger van NBL instort wanneer de batterij wordt opgeladen, in tegenstelling tot die van conventioneel bereide kathoden. De laatste zakt in tijdens de initiële laad- en ontlaadcyclus, resulterend in een structurele verandering. Als zodanig, de conventionele kathoden worden zeer dicht en compact met een kleiner oppervlak en kleinere poriën, wat resulteert in lagere batterijprestaties dan de koolstofsteiger van NBL. In feite, De kathode van NBL bood een 48% hogere specifieke capaciteit en 26% minder capaciteitsvervaging dan conventioneel vervaardigde zwavelkathoden. Toen er meer zwavel aan het materiaal werd toegevoegd, NBL's kathode bereikte een hoge praktische oppervlaktecapaciteit van 4 mAh per cm ² .

"We hebben aangetoond dat de bereidingstechniek van zwavelkathoden een sterke invloed heeft op de elektrochemische prestaties in lithium-zwavelbatterijen, " zei professor Jackie Y. Ying, die het NBL-onderzoeksteam leidt. "Onze methode is industrieel schaalbaar en we verwachten dat deze een aanzienlijke impact zal hebben op het toekomstige ontwerp van praktische lithium-zwavelbatterijen."

De NBL-onderzoekers werken aan het ontwerpen en optimaliseren van niet alleen de kathode, maar ook de anode, separator en elektrolyt door middel van nanomaterialen engineering. Het doel is om een ​​volledig celsysteem voor lithium-zwavelbatterijen te ontwikkelen met een superieure energieopslagcapaciteit, in vergelijking met conventionele lithium-ionbatterijen. Zo'n nieuw batterijsysteem kan veel langer mee dan huidige batterijen, en zou van groot belang zijn voor elektronische apparaten, elektrische voertuigen en energieopslag op het elektriciteitsnet.