Bedre katodematerialer til lithium-svovl-batterier

Et team på Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) har for første gang fremstillet et nanomateriale lavet af nanopartikler af en titaniumoxidforbindelse (Ti4O7), der er karakteriseret ved et ekstremt stort overfladeareal, og testede det som katodemateriale i lithium-svovl-batterier. Det meget porøse nanomateriale har høj lagerkapacitet, der forbliver næsten konstant over mange opladningscyklusser.

På nuværende tidspunkt lithium-batterier er en af ​​de bedste løsninger til opbevaring af elektrisk strøm på et lille rum. Lithium-ioner i disse batterier migrerer fra anoden til den modsatte elektriske pol, katoden, under udledningscyklussen. Anoden og katoden består generelt af tungmetalforbindelser, der er dyre og giftige.

Et interessant alternativ er lithium-svovl-batteriet. I dette tilfælde, katoden består ikke af tungmetaller, men i stedet for svovl - et økonomisk og bredt tilgængeligt materiale. Når lithium-ioner migrerer til katoden under afladningscyklussen, der sker en reaktion, der danner lithiumsulfid (Li2S) via forskellige mellemliggende lithiumpolysulfider. Under cykling, opløsning af lithiumpolysulfider får batteriets kapacitet til at falde i løbet af flere opladningscyklusser via den såkaldte "shuttle-effekt". Af denne grund, forskere verden over arbejder på at forbedre katodematerialer, der kemisk eller fysisk ville være i stand til at begrænse eller indkapsle polysulfider, såsom med nanopartikler lavet af titaniumdioxid (TiO ₂ ), for eksempel.

Ti4O7-nanopartikler med indbyrdes forbundne porestruktur

HZB-teamet ledet af prof. Yan Lu har nu fremstillet et katodemateriale, der er endnu mere effektivt. Også her, nanopartikler sørger for indeslutning af svovlen. Imidlertid, de består ikke af titaniumdioxid, men i stedet for Ti ₄ O ₇ molekyler arrangeret på en porøs sfærisk overflade. Disse porøse nanopartikler binder polysulfider væsentligt stærkere end det sædvanlige TiO ₂ nanopartikler.

"Vi har udviklet en speciel fremstillingsproces for at generere dette kompleks, tredimensionelt sammenkoblet porestruktur", forklarer Yan Lu. Yan Lu fremstiller først en skabelon lavet af en matrix af bittesmå polymerkugler, der har porøse overflader. Denne skabelon er udarbejdet i yderligere trin, derefter nedsænket i en opløsning af titaniumisopropoxid. Et lag Ti ₄ O ₇ dannes på de porøse kugler og forbliver efter termisk behandling, som nedbryder den underliggende polymer. Sammenlignet med andre katodematerialer fremstillet af titaniumoxider, Ti ₄ O ₇ nanosfære matrix har et ekstremt stort overfladeareal. 12 gram af dette materiale ville dække en fodboldbane.

Funktion afkodet ved BESSY II

Røntgenspektroskopimålinger (XPS) ved CISSY-eksperimentet af BESSY II viser, at svovlforbindelser binder sig stærkt til overfladen i nanomatricen.

Høj specifik kapacitet

Dette forklarer også den høje specifikke kapacitet pr. gram (1219 mAh) ved 0,1 C (1 C =1675 mA g) ^-1 ). Den specifikke kapacitet falder også meget lidt under gentagne opladnings-/afladningscyklusser (0,094 procent pr. cyklus). Til sammenligning, den specifikke kapacitet af katodematerialer lavet af TiO2 nanopartikler er 683 mAh/g. For at øge ledningsevnen af ​​dette materiale, det er muligt at påføre en supplerende belægning af kulstof på nanopartiklerne. Den meget porøse struktur forbliver intakt efter denne proces.

Opskalering er mulig

"Vi har arbejdet på at forbedre gentageligheden af ​​denne syntese i over et år. Nu ved vi, hvordan vi gør det. Næste, vi vil arbejde på at fremstille materialet som en tyndfilm", siger Yan Lu. Og det bedste:i dette tilfælde, hvad der er lykkedes i laboratoriet, kan også overføres til kommerciel fremstilling. Dette skyldes, at alle processer, fra kolloidkemien til tyndfilmsteknologien, er skalerbare.