Forskere sætter opløsningen i opløsningsmiddel til lithium-svovl batteriudfordring

Lithium-ion-batterier repræsenterer størstedelen af ​​batterierne i forbrugerelektronik og elektriske køretøjer. I dag, forskere leder efter ny kemi, der kan forbedre batteriernes energitæthed og ydeevne ud over konventionelle lithium-ion-batterier.

En type af disse batterier, kaldet lithium-svovl batterier, kunne tilbyde mere energitæthed og lavere omkostninger end det traditionelle grafit/metaloxid lithium-ion batteri. Imidlertid, dens ydeevne forringes ofte af en parasitisk reaktion, der sker inde i batteriet, og som forhindrer det i at cykle så effektivt.

Nu, i en ny undersøgelse, forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory har opdaget, hvordan en bestemt klasse af elektrolytmateriale kan reducere frekvensen af ​​denne reaktion, potentielt baner vejen for mere effektive lithium-svovl-batterier.

Når et lithium-svovlbatteri oplades, en uundgåelig bireaktion kaldet lithiumpolysulfid-shuttling forekommer ofte. Når batteriet oplades, lithiumsulfid omdannes til svovl på katoden, men nogle lithium-svovlforbindelser, der er ufuldstændigt oxiderede, kan opløses fra katoden til elektrolytten - batteriets væskeområde, der adskiller de to elektroder.

På dette tidspunkt, lithium-svovlforbindelserne kan diffundere og blive reduceret på anoden og oxidere tilbage på katoden. Denne proces kan gå igen og igen på en måde, der spilder batteriets opladning uden at sætte det i gang.

"Med polysulfid-shuttlen, du får intet ud af dit batteri bortset fra at varme det op, " sagde Argonne kemiker Chi Cheung Su, en forfatter til undersøgelsen. "I elektrokemiske termer, det er som at prøve at flyve fra New York til Los Angeles, men sidder fast ved at rejse frem og tilbage mellem Chicago og Denver."

En stor del af årsagen til initieringen af ​​polysulfid-shuttlingen sker, fordi polysulfiderne er i stand til at opløses let i en elektrolyt, der indeholder en opløsningsmiddelblanding af to forbindelser kaldet dioxolan (DOL) og dimethoxyethan (DME). "Der er to problemer, som vi skal løse samtidigt - med lav opløselighed og høj ledningsevne, " sagde Su. "Ved at opnå begge dele, vi kan bringe disse batterier tættere på virkeligheden."

Ifølge Su, de seneste fem år eller deromkring har set udviklingen af ​​en ny type elektrolytmateriale, der kunne løse begge disse problemer. Dette materiale, kaldet en hydrofluorether, eller HFE, har en meget lavere solvatiseringsevne, mens den stadig bevarer en generelt god ledningsevne. "Det første skridt for lithium at komme til anoden involverer at opløse det i elektrolytten, " sagde han. "Som vand er et rigtig godt opløsningsmiddel til bordsalt, DME er et meget godt opløsningsmiddel til lithium. Men med HFE'er er det som at prøve at opløse salt i benzin."

Selvom denne generelle egenskab ved HFE'er har været kendt i flere år, Su og hans kolleger har fundet frem til en generel måde at forudsige solvatiseringsadfærden og ledningsevnen for denne klasse af molekyler. Først, de delte dem op i tre typer afhængigt af deres kemiske strukturer. Ved måling af, hvordan elektrolytterne fungerede, forskerne bemærkede en vigtig afvejning:de kemier, der viste den laveste solvatiseringsadfærd og den mindste mængde polysulfid-shuttling, havde også lavere ledningsevner.

"Det viser, at der ikke er nogen magisk kugle til lithium-svovl-batterier endnu, og at vi stadig skal fortsætte med at finde måder at forbedre den kemi, vi har, " sagde Su.

Et papir baseret på forskningen, "En udvælgelsesregel for hydrofluoretherelektrolyt-cosolvent:etablering af et lineært fri-energiforhold i lithium-svovlbatterier, " optrådte i 13. maj-udgaven af Angewandte Chemie .