Opbygning af lithium-svovl-batterier med papirbiomasse

Et vigtigt biprodukt i papirindustrien er lignosulfonat, et sulfoneret kulstofaffaldsmateriale, som typisk forbrændes på stedet, frigiver CO ₂ ud i atmosfæren, efter at svovl er blevet fanget til genbrug.

Nu har forskere ved Rensselaer Polytekniske Institut udviklet en metode til at bruge denne billige og rigelige papirbiomasse til at bygge et genopladeligt lithium-svovlbatteri. Et sådant batteri kunne bruges til at drive store datacentre samt give en billigere energilagringsmulighed for mikronet og det traditionelle elnet.

"Vores forskning viser potentialet i at bruge biprodukter fra industrielle papirfabrikker til at designe bæredygtige, billige elektrodematerialer til lithium-svovl-batterier, " sagde Trevor Simmons, en Rensselaer-forsker, der udviklede teknologien sammen med sine kolleger ved Center for Future Energy Systems (CFES). Han har patenteret processen med den tidligere kandidatstuderende Rahul Mukherjee.

Genopladelige lithium-ion-batterier er i øjeblikket den dominerende batteriteknologi. I de seneste år, imidlertid, stor interesse er vokset omkring udvikling af lithium-svovl-batterier, som kan have mere end dobbelt energi af deres lithium-ion-modstykker af samme masse.

Et genopladeligt batteri har to elektroder - en positiv katode og en negativ anode. Placeret mellem elektroderne er en flydende elektrolyt, der tjener som et medium for de kemiske reaktioner, der producerer elektrisk strøm. I et lithium-svovl batteri, katoden er sammensat af en svovl-carbon matrix, og et lithiummetaloxid anvendes til anoden.

I sin elementære form, svovl er ikke-ledende, men når det kombineres med kulstof ved forhøjede temperaturer, det bliver meget ledende, gør det muligt at bruge det i nye batteriteknologier. Udfordringen, imidlertid, er, at svovl let kan opløses i et batteris elektrolyt, hvilket får elektroderne på begge sider til at forringes efter kun et par cyklusser.

Forskere har brugt forskellige former for kulstof, såsom nanorør og komplekse kulstofskum, at begrænse svovlen på plads, men med begrænset succes. "Vores metode giver en enkel måde at skabe en optimal svovlbaseret katode fra et enkelt råmateriale, " sagde Simmons.

For at udvikle deres metode, Rensselaer-forskerne samarbejdede med Finch Paper i Glens Falls, som tilvejebragte lignosulfonatet. Denne "brune spiritus" (en mørk sirupsagtig substans) tørres og opvarmes derefter til omkring 700 grader Celsius i en kvartsrørsovn.

Den høje varme driver det meste af svovlgassen væk, men tilbageholder noget af svovlen som polysulfider (kæder af svovlatomer), der er indlejret dybt i en aktiveret kulmatrix. Opvarmningsprocessen gentages, indtil den rigtige mængde svovl er fanget i kulstofmatrixen. Materialet males derefter og blandes med et inert polymerbindemiddel for at skabe en katodebelægning på aluminiumsfolie.

Forskerholdet har indtil videre skabt en lithium-svovl batteri prototype, der er på størrelse med et urbatteri, som kan cykle omkring 200 gange. Det næste trin er at opskalere prototypen for at øge afladningshastigheden og batteriets levetid markant.

"Ved at genanvende denne biomasse, forskerne, der arbejder med CFES, yder et væsentligt bidrag til miljøbevarelse, mens de bygger et mere effektivt batteri, der kan give et tiltrængt løft til energilagringsindustrien, sagde Martin Byrne, CFES direktør for forretningsudvikling.