Optimering af lithium-svovl batterielektrolytter for lang levetid

I fremtiden, genopladelige lithium-svovl-batterier (Li-S) kan holde mere energi og koste mindre end lithium-ion-batterier, hvis de kan holdes længere. En vigtig udfordring er at forhindre, at polysulfidioner, der skal dannes ved svovlelektroden under udladning, transporteres gennem den flydende elektrolyt til den anden elektrode. Her, forskere opdagede, hvordan opløseligheden og transporten af ​​polysulfidioner i den flydende elektrolyt relaterer sig til polysulfidionens kædelængde, ionens tendens til at klynge sig sammen, og mængden af ​​lithiumsalt til stede i elektrolytten. Det er bemærkelsesværdigt, at polysulfider af enhver kædelængde eller struktur opløst i den flydende elektrolyt kan bidrage til en dårligere ydeevne af batteriet.

Forlængelse af levetiden for genopladelige lithium-svovlbatterier kræver, at polysulfidtransport mellem elektroderne forhindres under drift. Viden om, hvordan elektrolyttens salt- og opløsningsmiddelmolekyler interagerer med polysulfider, hjælper med at forstå deres opløselighed. Indsigt fra undersøgelser af disse interaktioner kan hjælpe med udformningen af ​​nye elektrolytter til længerevarende, praktiske genopladelige lithium-svovlbatterier.

Lithium-svovl-batteriet har en teoretisk energitæthed, der er meget større end kommercielle lithium-ion-batterier; imidlertid, teknologien udviser fade og dermed begrænset batterilevetid. I disse batterier, aktive svovlarter (som opløste polysulfidioner) migrerer til lithiummetalelektroden. Derefter, irreversible reaktioner, der involverer disse polysulfider, kan forekomme ved elektroden, hvilket resulterer i tab af dens evne til at lagre ladning. Forsøg på at beskytte metallet mod polysulfiderne har kun været delvist succesfulde.

Forskere ved Joint Center for Energy Storage Research har fokuseret på at justere elektrolytsammensætningen for at kontrollere, hvordan polysulfider opløses, bevæge sig, og interagere. For nylig, ved hjælp af kombinerede teoretiske og eksperimentelle undersøgelser, forskerne opdagede, at opløseligheden af ​​polysulfider (Li ₂ S _x , x=2-8) afhænger af sulfidionens kædelængde. Kortere polysulfider danner store klynger, med op til femten ioner i hver klynge, hvilket begrænser deres opløselighed. Længere polysulfider (med mere end fire svovlatomer) viser højere opløselighed, men langsom transport i det rene opløsningsmiddel. Overraskende nok, tilsætningen af ​​et lithiumsalt for at danne en elektrolytopløsning øgede opløseligheden af ​​de kortkædede polysulfider ved at tilvejebringe gunstige interaktioner mellem saltet og polysulfiderne.

Forskerne beregnede og målte også eksperimentelt diffusionshastighederne for lithiumion og andre arter i elektrolytterne ved forskellige salt/opløsningsmiddelforhold. Høje saltkoncentrationer kunne positivt kontrollere, hvordan polysulfider opløses, men resulterede i nedsat mobilitet for ioniske arter og utilstrækkelig ionisk ledningsevne. At forstå strukturen og dynamikken af ​​lithium-svovlelektrolytter giver mulighed for at finjustere sammensætningen af ​​elektrolytten. Med denne indsigt, fremtidige elektrolytter kunne designes til at give effektiv transport af ioner mellem elektroderne, samtidig med at opløsningen og migrationen af ​​polysulfidarter undertrykkes.