Forskere designer organisk katode til højtydende batterier

Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har designet et nyt, organisk katodemateriale til litiumbatterier. Med svovl i sin kerne, materialet er mere energitæt, omkostningseffektiv, og miljøvenlige end traditionelle katodematerialer i lithiumbatterier. Undersøgelsen blev offentliggjort i Avancerede energimaterialer den 10. april, 2019.

Optimering af katodematerialer

Fra smartphones til elbiler, de teknologier, der er blevet centrale i hverdagen, kører på lithium-batterier. Og da efterspørgslen efter disse produkter fortsat stiger, forskere undersøger, hvordan man kan optimere katodematerialer for at forbedre den overordnede ydeevne af lithiumbatterisystemer.

"Kommercialiserede lithium-ion-batterier bruges i små elektroniske enheder; dog, til at rumme lange køreafstande for elektriske køretøjer, deres energitæthed skal være højere, "sagde Zulipiya Shadike, en forskningsassistent i Brookhaven's Chemistry Division og hovedforfatteren af ​​forskningen. "Vi forsøger at udvikle nye batterisystemer med en høj energitæthed og stabil ydeevne."

Ud over at løse energispørgsmålene i batterisystemer, forskere ved Brookhaven undersøger mere bæredygtige batterimaterialedesign. På jagt efter et bæredygtigt katodemateriale, der også kunne give en høj energitæthed, forskerne valgte svovl, et sikkert og rigeligt element.

"Svovl kan danne mange bindinger, hvilket betyder, at det kan holde på mere lithium og derfor har en større energitæthed, "sagde medforfatter Adrian Hunt, en videnskabsmand ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven. "Svovl er også lettere end traditionelle elementer i katodematerialer, så hvis du laver et batteri af svovl, selve batteriet ville være lettere, og bilen, det kører på, kunne køre videre på samme opladning."

Ved design af det nye katodemateriale, forskerne valgte en organodisulfidforbindelse, der kun består af elementer som kulstof, brint, svovl, og oxygen - ikke de tungmetaller, der findes i typiske lithiumbatterier, som er mindre miljøvenlige. Men mens svovlbatterier kan være sikrere og mere energitætte, de giver andre udfordringer.

"Når et batteri oplades eller aflades, svovl kan danne en uønsket forbindelse, der opløses i elektrolytten og diffunderer gennem batteriet, forårsager en bivirkning, " sagde Shadike. "Vi forsøgte at stabilisere svovl ved at designe et katodemateriale, hvor svovlatomer var knyttet til en organisk rygrad."

Røntgenbilleder afslører detaljerne

Da forskerne i Brookhaven's Chemistry Division designede og syntetiserede det nye materiale, de bragte den derefter til NSLS-II for bedre at forstå dens ladningsudladningsmekanisme. Brug af NSLS-IIs ultralette røntgenstråler på to forskellige forsøgsstationer, X-ray Powder Diffraction (XPD) beamline og In situ og Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) beamline, forskerne var i stand til at bestemme, hvordan specifikke elementer i katodematerialet bidrog til dets ydeevne.

"Det kan være svært at studere organiske batterimaterialer ved hjælp af synkrotron lyskilder, fordi, sammenlignet med tungmetaller, organiske forbindelser er lettere og deres atomer er mindre ordnede, så de producerer svage data, " sagde Sanjit Ghose, ledende videnskabsmand ved XPD og medforfatter på papiret. "Heldigvis, vi har meget høj flux og højenergi røntgenstråler ved NSLS-II, der gør os i stand til at 'se' overfloden og aktiviteten af ​​hvert element i et materiale, inklusive lighter, mindre ordnede organiske elementer."

Ghose tilføjede, "Vores kolleger i kemiafdelingen designede og syntetiserede katodematerialet i henhold til den teoretisk forudsagte struktur. Til vores overraskelse, vores eksperimentelle observationer matchede den teoretisk drevne struktur nøjagtigt."

Iradwikanari Waluyo, hovedforsker ved IOS og medforfatter på papiret, sagde, "Vi brugte bløde røntgenstråler på IOS til direkte at sondere iltatomet i rygraden og studere dets elektroniske struktur, før og efter batteriet er opladet og afladet. Vi bekræftede, at carbonylgruppen - der har en dobbeltbinding mellem et carbonatom og et oxygenatom - ikke kun spiller en stor rolle i at forbedre batteriets hurtige opladnings-afladningsevne, men giver også ekstra kapacitet."

Resultaterne fra NSLS-II og yderligere eksperimenter ved den canadiske lyskilde gjorde det muligt for forskerne at bekræfte batteriets lade-afladningskapacitet fra svovlatomerne. Forskerne siger, at denne undersøgelse giver en ny strategi til at forbedre ydeevnen af ​​svovlbaserede katoder til højtydende lithiumbatterier.