Grafen svamp hjælper litium svovl batterier med at nå nyt potentiale

For at imødekomme kravene fra en elektrisk fremtid, nye batteriteknologier vil være afgørende. En mulighed er lithium -svovlbatterier, som tilbyder en teoretisk energitæthed mere end fem gange den for lithiumionbatterier. Forskere ved Chalmers University of Technology, Sverige, for nylig afsløret et lovende gennembrud for denne type batterier, ved hjælp af en katolyt ved hjælp af en grafensvamp.

Forskernes nye idé er en porøs, svampeagtig aerogel lavet af reduceret grafenoxid, der fungerer som en fritstående elektrode i battericellen og muliggør bedre og højere udnyttelse af svovl.

Et traditionelt batteri består af fire dele. Først, der er to støtteelektroder belagt med et aktivt stof, som er kendt som en anode og en katode. Mellem dem er en elektrolyt, generelt en væske, tillader ioner at blive overført frem og tilbage. Den fjerde komponent er en separator, som fungerer som en fysisk barriere, forhindrer kontakt mellem de to elektroder, mens det stadig tillader overførsel af ioner.

Forskerne eksperimenterede tidligere med at kombinere katoden og elektrolytten til en væske, en såkaldt 'katolyt'. Konceptet kan hjælpe med at spare vægt i batteriet, samt tilbyde hurtigere opladning og bedre strømfunktioner. Nu, med udviklingen af ​​grafen -aerogelen, konceptet har vist sig levedygtigt, giver nogle meget lovende resultater.

Tager en standard møntcellebatteri, forskerne indsatte først et tyndt lag af den porøse grafen -aerogel. "Du tager aerogelen, som er en lang tynd cylinder, og så skærer du det - næsten som en salami. Tag den skive, og komprimere det for at passe ind i batteriet, "siger Carmen Cavallo fra Institut for Fysik på Chalmers, og ledende forsker på undersøgelsen. Derefter, en svovlrig opløsning, katolyt, er tilføjet til batteriet. Den meget porøse aerogel fungerer som understøttelse, opsuge opløsningen som en svamp.

"Den porøse struktur af grafen -aerogelen er nøglen. Den opsuger en stor mængde katolyt, giver dig høj nok svovlbelastning til at gøre katolytkonceptet umagen værd. Denne form for halvflydende katolyt er virkelig vigtig her. Det giver svovl til at cykle frem og tilbage uden tab. Det går ikke tabt ved opløsning - fordi det allerede er opløst i katolytopløsningen, ”siger Carmen Cavallo.

Noget af katolytopløsningen påføres også på separatoren, for at den kan udføre sin elektrolytrolle. Dette maksimerer også svovlindholdet i batteriet.

De fleste kommercielle batterier er lithium-ion-batterier. Men denne type batteri nærmer sig sine grænser, og nye kemiske tilgange bliver afgørende for applikationer med højere strømkrav. Lithium -svovlbatterier har flere fordele, herunder meget højere energitæthed. De bedste lithium-ion-batterier, der aktuelt er på markedet, opererer med omkring 300 watt-timer pr. Kg, med et teoretisk maksimum på omkring 350. Lithium -svovlbatterier imens, har en teoretisk energitæthed på omkring 1000-1500 watt-timer pr. kg.

"Desuden, svovl er billigt, meget rigelig, og meget mere miljøvenligt. Lithium -svovlbatterier har også den fordel, at de ikke behøver at indeholde miljøskadeligt fluor, som det sædvanligvis findes i lithium -ion -batterier, "siger Aleksandar Matic, Professor ved Chalmers Institut for Fysik, der leder forskningsgruppen bag papiret.

Problemet med lithium -svovlbatterier har hidtil været deres ustabilitet, og deraf lavt livscyklus. Nuværende versioner degenererer hurtigt og har en begrænset levetid med et upraktisk lavt antal cyklusser. Men ved at teste deres nye prototype, Chalmers -forskerne viste 85 % kapacitetsopbevaring efter 350 cyklusser.

Det nye design undgår de to hovedproblemer med nedbrydning af lithium -svovlbatterier - et, at svovlet opløses i elektrolytten og går tabt, og to, en 'shuttling effekt, 'hvorved svovlmolekyler vandrer fra katoden til anoden. I dette design, disse uønskede spørgsmål reduceres drastisk.

Artiklen, "En fritstående reduceret grafenoxid-aerogel som understøttende elektrode i et fluorfrit Li ₂ S ₈ katolyt Li-S batteri, "er offentliggjort i Journal of Power Sources .

Forskerne bemærker, imidlertid, at der stadig er en lang rejse, før teknologien kan opnå fuldt markedspotentiale. "Da disse batterier er produceret på en alternativ måde fra de fleste normale batterier, nye fremstillingsprocesser skal udvikles for at gøre dem kommercielt levedygtige, ”siger Aleksandar Matic.