En ny polymer hæver barren for lithium-svovlbatterier

Litium-svovlbatterier er lovende kandidater til udskiftning af almindelige lithium-ion-batterier i elektriske køretøjer, da de er billigere, vejer mindre, og kan lagre næsten dobbelt energien for den samme masse. Imidlertid, lithium-svovlbatterier bliver ustabile over tid, og deres elektroder forringes, begrænser udbredt adoption.

Nu, et team af forskere ledet af forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporteret, at en ny litium-svovlbatterikomponent tillader en fordobling i kapacitet i forhold til et konventionelt litium-svovlbatteri, selv efter mere end 100 opladningscyklusser ved høje strømtætheder, som er centrale præstationsmålinger for deres vedtagelse i elektriske køretøjer (EV'er) og inden for luftfart.

De gjorde det ved at designe et nyt polymerbindemiddel, der aktivt regulerer centrale iontransportprocesser inden for et lithium-svovlbatteri, og har også vist, hvordan det fungerer på et molekylært niveau. Arbejdet blev for nylig rapporteret i Naturkommunikation .

"Den nye polymer fungerer som en væg, "sagde Brett Helms, en personaleforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Svovlet fyldes i porerne i en kulvært, som derefter forsegles af vores polymer. Da svovl deltager i batteriets kemiske reaktioner, polymeren forhindrer de negativt ladede svovlforbindelser i at vandre ud. Batteriet har et stort løfte om at muliggøre den næste generation af elbiler. "

Når et litium-svovlbatteri lagrer og frigiver energi, den kemiske reaktion producerer mobile svovlmolekyler, der bliver afbrudt fra elektroden, får det til at forringes og i sidste ende sænke batteriets kapacitet over tid. For at gøre disse batterier mere stabile, forskere har traditionelt arbejdet med at udvikle beskyttende belægninger til deres elektroder, og at udvikle nye polymerbindemidler, der fungerer som limen, der holder batterikomponenterne sammen. Disse bindemidler er beregnet til at kontrollere eller afbøde elektrodenes hævelse og revner.

Det nye bindemiddel går et skridt videre. Forskere fra Organic Synthesis Facility ved Berkeley Labs Molecular Foundry, et forskningscenter med speciale i nanoskala videnskab, designet en polymer til at holde svovlet i nærheden af ​​elektroden ved selektivt at binde svovlmolekylerne, modvirke dets vandringstendenser.

Det næste trin var at forstå de dynamiske strukturændringer, der sandsynligvis vil forekomme under opladning og afladning samt ved forskellige ladningstilstande. David Prendergast, der leder Foundry's Theory Facility, og Tod Pascal, en projektforsker i Theory Facility, bygget en simulering for at teste forskernes hypoteser om polymerens adfærd.

"Vi kan nu pålideligt og effektivt modellere svovlkemi inden for disse bindemidler baseret på læring fra detaljerede kvantemekaniske simuleringer af de opløste svovlholdige produkter, "udtalte Prendergast.

Deres store molekylære dynamiksimuleringer, udført på supercomputeressourcer på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), bekræftet, at polymeren har en affinitet til binding af de mobile svovlmolekyler, og forudsagde også, at polymeren sandsynligvis ville vise en præference for binding af forskellige svovlarter ved forskellige ladningstilstande for batteriet. Eksperimenter udført på Berkeley Labs Advanced Light Source og Argonne National Laboratory's Electrochemistry Discovery Lab bekræftede disse forudsigelser.

Forskergruppen tog deres undersøgelse et skridt videre ved også at undersøge ydelsen af ​​lithium-svovlceller fremstillet med det nye polymerbindemiddel. Gennem et sæt eksperimenter, de var i stand til at analysere og kvantificere, hvordan polymeren påvirker den kemiske reaktionshastighed i svovlkatoden, hvilket er nøglen til at opnå høj strømtæthed og høj effekt med disse celler.

Ved næsten at fordoble batteriets elektriske kapacitet over lang tids cykling, den nye polymer hæver barren for lithium-svovlbatteriers kapacitet og effekt.

Den kombinerede forståelse af syntesen, teori, og egenskaber ved den nye polymer har gjort den til en nøglekomponent i prototypen lithium-svovlcelle ved DOE's Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).