Mikrobølgeovn plast øger lithium-svovl batteriets levetid

Purdues ingeniører har fundet ud af en måde at tackle plastiklossepladser på og samtidig forbedre batterierne – ved at sætte blækfri plast gennemblødt i svovlholdigt opløsningsmiddel i en mikrobølgeovn, og derefter ind i batterier som et kulstofstillads.

Lithium-svovl-batterier er blevet hyldet som den næste generation af batterier til at erstatte den nuværende lithium-ion-variant. Lithium-svovl-batterier er billigere og mere energitætte end lithium-ioner, som ville være vigtige egenskaber i alt fra elbiler til bærbare computere.

Men det, der slår på lithium-svovl-batterier til dette punkt, er, at de ikke holder så længe, kan bruges til omkring 100 opladningscyklusser.

Purdue-forskere har fundet en måde at øge levetiden på i en proces, der har den ekstra bonus at være en bekvem måde at genbruge plastik. Deres proces, som for nylig blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader , viser, at at sætte svovlvædet plastik i en mikrobølgeovn, inklusive gennemsigtige plastikposer, omdanner materialet til det ideelle stof til at øge levetiden for de kommende batterier til mere end 200 opladning-afladningscyklusser.

"Uanset hvor mange gange du genbruger plastik, at plastik bliver på jorden, " sagde Vilas Pol, lektor ved Purdues School of Chemical Engineering. "Vi har tænkt på måder at slippe af med det i lang tid, og dette er en måde at i det mindste tilføje værdi."

Behovet for at reducere lossepladser løber parallelt med at gøre lithium-svovl-batterier gode nok til kommerciel brug.

"Fordi lithium-svovl-batterier bliver mere populære, vi ønsker at få et længere liv suget ud af dem, " sagde Pol.

Lavdensitet polyethylen plast, som bruges til emballage og omfatter en stor del plastaffald, hjælper med at løse et langvarigt problem med lithium-svovl-batterier – et fænomen kaldet polysulfid-shuttling-effekten, der begrænser, hvor længe et batteri kan holde mellem opladninger.

Lithium-svovl batterier, som deres navn antyder, har et lithium og et svovl. Når en strøm påføres, lithium-ioner migrerer til svovlen, og en kemisk reaktion finder sted for at producere lithiumsulfid. Biproduktet af denne reaktion, polysulfid, har tendens til at krydse tilbage til lithiumsiden og forhindre migration af lithiumioner til svovl. Dette reducerer opladningskapaciteten af ​​et batteri samt levetid.

"Den nemmeste måde at blokere polysulfid på er at placere en fysisk barriere mellem lithium og svovl, sagde Patrick Kim, en Purdue postdoc forskningsassistent i kemiteknik.

Tidligere undersøgelser havde forsøgt at gøre denne barriere ud af biomasse, såsom bananskræller og pistacieskaller, fordi porerne i biomasseafledt kulstof havde potentialet til at fange polysulfid.

"Hvert materiale har sin egen fordel, men biomasse er god at holde og kan bruges til andre formål, " sagde Pol. "Affaldsplastik er virkelig værdiløst og byrdefuldt materiale."

I stedet, forskere tænkte på, hvordan plastik kunne inkorporeres i et kulstofstillads for at undertrykke polysulfid-shuttling i et batteri. Tidligere forskning havde vist, at polyethylenplast med lav densitet giver kulstof, når det kombineres med sulfonerede grupper.

Forskerne gennemblødte en plastikpose i svovlholdigt opløsningsmiddel og satte den i en mikrobølgeovn for billigt at give den hurtige temperaturstigning, der er nødvendig for omdannelse til polyethylen med lav densitet. Varmen fremmede sulfoneringen og karboniseringen af ​​plasten og inducerede en højere tæthed af porer til at fange polysulfid. Lavdensitetspolyethylenplastikken kunne derefter laves om til et kulstofstillads for at opdele lithium- og svovlhalvdelene af en batterimøntcelle.

"Det plastafledte kulstof fra denne proces inkluderer en sulfonatgruppe med en negativ ladning, hvilket også er hvad polysulfid har, " sagde Kim. Sulfoneret lavdensitetspolyethylen lavet til et kulstofstillads, derfor, undertrykte polysulfid ved at have en lignende kemisk struktur.

"Dette er det første skridt til at forbedre kapacitetsbevarelsen af ​​batteriet, " sagde Pol. "Det næste skridt er at fremstille et større batteri ved at bruge dette koncept."