Et vendepunkt inden for lithium-svovl batterifeltteknologi

Professor Jong-Sung Yus forskningsgruppe i Institut for Energividenskab og Teknik ved DGIST udviklede en teknologi til et porøst silicamellemlag ved at fylde svovl, et aktivt materiale, i silica. Denne nye tilgang forventes at være afgørende for forskning og udvikling og kommercialisering af næste generation af lithium-svovlbatterier, hvor energitæthed og stabilitet er afgørende.

Med den seneste stigning i efterspørgslen efter energilagringsenheder med stor kapacitet, er der aktivt blevet udført forskning i højenergi-, lavpris-, næste generations sekundære batterier, der kan erstatte lithium-ion-batterier. Lithium-svovl-batterier, som bruger svovl som katodemateriale, har en energitæthed flere gange højere end konventionelle lithium-ion-batterier, som bruger dyre sjældne jordarters grundstoffer som katodemateriale. Derfor forventes det, at det svovlbaserede batteri vil være mere velegnet til højenergi-enheder som elbiler og droner. Derudover er forskning i lithium-svovl-batterier udbredt, fordi svovl er billigt, rigeligt og ikke-giftigt.

På den anden side har svovl, et aktivt element, der producerer elektrisk energi, lav ledningsevne, og polysulfid genereret under opladning og afladning af batteriet diffunderer mod batteriets negative elektrode, hvilket resulterer i tab af svovl gennem dets reaktion med lithium. Følgelig forringes batteriets kapacitet og levetid betydeligt. Dette problem er blevet afhjulpet ved at indsætte et nyt lag mellem svovlelektroden og separatoren (midten), som kan absorbere polysulfid og blokere diffusion.

Ledende kulstof, som i øjeblikket bruges som en mellemlagsteknologi til at forbedre kapaciteten og levetiden af ​​lithium-svovl-batterier, giver ledningsevne til svovlelektroden. Imidlertid kan diffusionen af ​​svovl ikke forhindres, fordi dens affinitet med det polære lithiumpolysulfid er lav. På den anden side, hvis et polært oxid anvendes som et mellemlagsmateriale, undertrykkes tabet af svovl på grund af dets stærke vekselvirkning med lithiumpolysulfid. Imidlertid er udnyttelsen af ​​svovl lavere på grund af dens lave ledningsevne. Derudover er de forskellige mellemlagsmaterialer, der er undersøgt tidligere, ikke ideelle, fordi de ikke kan opnå den energitæthed og cykluslevetid, der kræves til kommercialisering på grund af deres tykkelse og lave redoxaktivitet.

For at imødegå disse ulemper implementerede forskerholdet først et nyt redoxaktivt porøst silica/svovl-mellemlag ved at tilføje svovl i silicaen efter syntetisering af den pladeformede porøse silica. De forudsagde, at kapaciteten og levetidseffektiviteten af ​​lithium-svovl-batterierne ville blive maksimeret på grund af den svovl-inducerede stigning i kapaciteten pr. celleareal, fordi yderligere svovl blev fyldt i det mellemliggende lag, som også kunne fungere som et effektivt lithiumpolysulfid adsorptionssted.

For at undersøge denne teori blev silica/svovl-mellemlaget påført et lithium-svovl-batteri, som derefter blev opladet og afladet 700 gange. Som et resultat opnåede det porøse silica/svovl-mellemlag en meget højere langtidsstabilitet end det konventionelle porøse carbon/svovl-mellemlag efter 700 ladnings-/afladningscyklusser. Især udviste batteriet høj kapacitet og holdbare, langtidsholdbare egenskaber, selv ved et højt svovlindhold på 10 mg/cm ² og en lav elektrolyt:svovl (E/S) koncentration på 4. Derfor er den næsten klar til praktisk anvendelse.

Professor Jong-Sung Yu udtalte:"Vores undersøgelse er den første til at finde ud af, at svovl kan fyldes ind i porerne i et porøst silicamateriale for at tjene som et mellemlagsmateriale til lithium-svovlbatterier, hvilket forbedrer deres kapacitet og levetid." Han tilføjede:"Dette resultat er en ny milepæl i udviklingen af ​​næste generation af højenergi-, langtidsholdbare lithium-svovl-batterier."

Denne undersøgelse blev udført i samarbejde med Dr. Amine Khalils team ved Argonne National Laboratory (ANL). Dr. Byung-Jun Lee, som modtog sin ph.d. under vejledning af professor Jong-Sung Yu fra Institut for Energi og Videnskab og Teknik ved DGIST, var den første forfatter. Denne undersøgelse blev offentliggjort online den 8. august i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Næste generation af lithium-svovl-batteri løser tabet af svovl-problemet