En stabiliserende påvirkning muliggør udvikling af lithium-svovlbatterier

I slutningen af ​​juli 2008 satte et britisk solcellefly en uofficiel fly-udholdenhedsrekord ved at forblive på loftet i mere end tre dage i træk. Lithium-svovl-batterier dukkede op som et af de store teknologiske fremskridt, der gjorde det muligt at flyve - at drive flyet natten over med en effektivitet uovertruffen af ​​dagens bedste batterier. Ti år senere, verden afventer stadig den kommercielle ankomst af "Li-S" batterier. Men et gennembrud fra forskere ved Drexel University har netop fjernet en væsentlig barriere, der har blokeret deres levedygtighed.

Teknologivirksomheder har i nogen tid vidst, at udviklingen af ​​deres produkter, uanset om de er bærbare computere, mobiltelefoner eller elbiler, afhænger af den konstante forbedring af batterierne. Teknologi er kun "mobil" så længe batteriet tillader det, og lithium-ion-batterier – der betragtes som de bedste på markedet – er ved at nå deres grænse for forbedring.

Med batteriydelsen nærmer sig et plateau, virksomheder forsøger at presse hver sidste volt ind, og ud af, lagringsenhederne ved at reducere størrelsen af ​​nogle af de interne komponenter, der ikke bidrager til energilagring. Nogle uheldige bivirkninger af disse strukturelle ændringer er de fejlfunktioner og nedsmeltninger, der opstod i en række Samsung-tablets i 2016.

Forskere og teknologiindustrien ser på Li-S-batterier for i sidste ende at erstatte Li-ion, fordi denne nye kemi teoretisk tillader mere energi at blive pakket ind i et enkelt batteri - et mål kaldet "energitæthed" i batteriforskning og -udvikling. Denne forbedrede kapacitet, i størrelsesordenen 5-10 gange så stor som Li-ion-batterier, svarer til en længere driftstid for batterier mellem opladninger.

Problemet er, Li-S-batterier har ikke været i stand til at bevare deres overlegne kapacitet efter de første par genopladninger. Det viser sig, at svovl, som er nøgleingrediensen for forbedret energitæthed, migrerer væk fra elektroden i form af mellemprodukter kaldet polysulfider, fører til tab af denne nøgleingrediens og ydeevne falmer under genopladninger.

I årevis har forskere forsøgt at stabilisere reaktionen inde i Li-S-batteriet til fysisk at indeholde disse polysulfider, men de fleste forsøg har skabt andre komplikationer, såsom at tilføje vægt eller dyre materialer til batteriet eller tilføje flere komplicerede behandlingstrin.

Men en ny tilgang, rapporteret af forskere ved Drexel's College of Engineering i en nylig udgave af tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader , med titlen "TiO Phase Stabilized into Free-Standing Nanofibers as Strong Polysulfide Immobilizer in Li-S Batteries:Evidence for Lewis Acid-Base Interactions, " viser, at det kan holde polysulfider på plads, opretholder batteriets imponerende udholdenhed, samtidig med at den samlede vægt og den tid, det tager at producere dem, reduceres.

"Vi har skabt fritstående porøs titaniummonoxid nanofibermåtte som et katodeværtsmateriale i lithium-svovlbatterier, " sagde Vibha Kalra, Ph.D., en adjunkt i College of Engineering og hovedforfatter af forskningen. "Dette er en væsentlig udvikling, fordi vi har fundet ud af, at vores titaniummonoxid-svovl-katode både er stærkt ledende og i stand til at binde polysulfider via stærke kemiske interaktioner, hvilket betyder, at det kan øge batteriets specifikke kapacitet og samtidig bevare dets imponerende ydeevne gennem hundredvis af cyklusser. Vi kan også demonstrere fuldstændig eliminering af bindemidler og strømaftager på katodesiden, der tegner sig for 30-50 procent af elektrodevægten - og vores metode tager kun sekunder at skabe svovlkatoden, når den nuværende standard kan tage næsten en halv dag."

Deres resultater tyder på, at nanofibermåtten, som på mikroskopisk niveau ligner en fuglerede, er en fremragende platform for svovlkatoden, fordi den tiltrækker og fanger de polysulfider, der opstår, når batteriet bruges. At holde polysulfiderne i katodestrukturen forhindrer "shuttling, " et præstationsdæmpende fænomen, der opstår, når de opløses i elektrolytopløsningen, der adskiller katode fra anode i et batteri. Dette katodedesign kan ikke kun hjælpe Li-S-batteriet med at bevare sin energitæthed, men gør det også uden yderligere materialer, der øger vægten og produktionsomkostningerne, ifølge Kalra.

For at nå disse dobbelte mål, gruppen har nøje undersøgt reaktionsmekanismerne og dannelsen af ​​polysulfider for bedre at forstå, hvordan et elektrodeværtsmateriale kunne hjælpe med at indeholde dem.

"Denne forskning viser, at tilstedeværelsen af ​​en stærk Lewis-syre-base-interaktion mellem titanmonoxid og svovl i katoden forhindrer polysulfider i at trænge ind i elektrolytten, som er den primære årsag til batteriets forringede ydeevne, " sagde Arvinder Singh, Ph.D., en postdoc-forsker i Kalras laboratorium, som var forfatter til papiret.

Dette betyder, at deres katodedesign kan hjælpe et Li-S-batteri med at bevare sin energitæthed - og gøre det uden yderligere materialer, der øger vægten og produktionsomkostningerne, ifølge Kalra.

Kalras tidligere arbejde med nanofiberelektroder har vist, at de giver en række fordele i forhold til nuværende batterikomponenter. De har et større overfladeareal end strømelektroder, hvilket betyder, at de kan rumme udvidelse under opladning, som kan øge batteriets lagerkapacitet. Ved at fylde dem med en elektrolytgel, de kan fjerne brændbare komponenter fra enheder, hvilket minimerer deres modtagelighed for lækager, brande og eksplosioner. De er skabt gennem en elektrospinningsproces, der ligner noget at lave bolsjer, dette betyder, at de har en fordel i forhold til de standard pulverbaserede elektroder, som kræver brug af isolerende og ydeevneforringende "bindemiddel"-kemikalier i deres produktion.

I takt med arbejdet med at producere bindemiddelfri, fritstående katodeplatforme for at forbedre batteriernes ydeevne, Kalras laboratorium udviklede en hurtig svovlaflejringsteknik, der tager kun fem sekunder at få svovlen ind i sit substrat. Proceduren smelter svovl ind i nanofibermåtterne i et let tryksat, 140-graders celsius-miljø – eliminerer behovet for tidskrævende behandling, der bruger en blanding af giftige kemikalier, samtidig med at katodens evne til at holde en ladning forbedres efter længere tids brug.

"Vores Li-S-elektroder giver den rigtige arkitektur og kemi for at minimere kapacitetsfade under battericykling, en vigtig hindring i kommercialiseringen af ​​Li-S-batterier, " sagde Kalra. "Vores forskning viser, at disse elektroder udviser en vedvarende effektiv kapacitet, der er fire gange højere end de nuværende Li-ion-batterier. Og vores roman, en lavprismetode til at svovle katoden på få sekunder fjerner en væsentlig hindring for fremstilling."

Siden Zephyr-6's rekordsatte flyvning i 2008, mange virksomheder har investeret i udviklingen af ​​Li-S batterier i håb om at øge rækkevidden af ​​elbiler, få mobile enheder til at holde længere mellem opladninger, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.