Nanopartikler i lithium-svovlbatterier opdaget med neutroneksperiment

Lithium-svovl-batterier betragtes som en af ​​de mest lovende kandidater til den næste generation af energilagringsenheder. De har en teoretisk gravimetrisk energitæthed, der er fem gange højere end den for de bedste lithium-ion-batterier, der er tilgængelige i øjeblikket. Og de fungerer endda ved minusgrader på ned til -50 °C. Ud over, svovl er billigt og miljøvenligt.

Imidlertid, deres kapacitet indtil videre er faldet kraftigt for hver opladnings-afladningscyklus, så sådanne batterier er endnu ikke langtidsholdbare. Tabet af kapacitet er forårsaget af komplicerede reaktionsprocesser ved elektroderne inde i battericellen. Det er derfor særligt vigtigt at forstå præcis, hvordan ladnings- (svovl) og udledningsprodukter (lithiumsulfid) udfældes og opløses. Mens svovl udfælder makroskopisk og derfor egner sig til undersøgelse ved hjælp af billeddannelsesteknikker eller røntgendiffraktion under cykling, lithiumsulfid er svært at påvise på grund af dets partikelstørrelse under 10 nm.

Indsigt i dette er nu givet for første gang ved undersøgelser med BER II neutronkilden ved HZB. Dr. Sebastian Risse brugte en målecelle, han udviklede, til at belyse lithium-svovlbatterier med neutroner under opladnings- og afladningscyklusser (operando) og udførte samtidig yderligere målinger med impedansspektroskopi.

Dette gjorde det muligt for ham og hans team at analysere opløsningen og udfældningen af ​​lithiumsulfid med ekstrem præcision under ti afladnings-/opladningscyklusser. Da neutroner interagerer stærkt med deuterium (tungt brint), forskerne brugte en deutereret elektrolyt i battericellen til at gøre både de faste produkter (svovl og lithiumsulfid) synlige.

Deres konklusion:"Vi observerede, at lithiumsulfid- og svovludfældningen ikke finder sted inde i de mikroporøse kulstofelektroder, men i stedet på den ydre overflade af kulfibrene, " siger Risse. Disse resultater giver en værdifuld guide til udviklingen af ​​bedre batterielektroder.