All-solid-state lithium-svovl-batterier med høj kapacitet og lang levetid

Prof.Atsunori Matsuda, Prof. Hiroyuki Muto, Assistent Prof. Kazuhiro Hikima, Assistent Prof. Nguyen Huu Huy Phuc, Forsker Reiko Matsuda, og Takaki Maeda (kandidatuddannelse) ved Institut for Elektrisk og Elektronisk Informationsteknik, Toyohashi University of Technology har lavet et aktivt svovlmateriale og carbon nanofiber (CNF) komposit ved hjælp af en billig og ligetil væskefaseproces. All-solid-state lithium-svovl-batterier, der anvender et svovl-CNF-kompositmateriale opnået ved væskefaseproces, viser en højere afladningskapacitet og bedre cyklusstabilitet end lithium-ion sekundære batterier. Dermed, Disse lithium-svovlbatterier med fuld solid tilstand gør det muligt at føre til applikationer i store batterier såsom elektriske køretøjer i fremtiden.

Lithium-ion sekundære batterier, konceptet, som blev tildelt Nobelprisen i kemi sidste år, har været meget brugt som strømkilder til smartphones, elektriske køretøjer, osv. All-solid-state batterier har også tiltrukket sig opmærksomhed som næste generations batterier i de senere år på grund af stigningen i hybrid- og elbiler. I særdeleshed, All-solid-state lithium-svovl-batterier har tiltrukket sig opmærksomhed på grund af fem gange højere energitæthed end konventionelle lithium-ion sekundære batterier. Imidlertid, svovl er en isolator, hvilket dermed begrænser deres anvendelse i batterienheder. For at løse dette problem, svovl skal forsynes med en ionisk og elektronledende bane.

Vores forskningsgruppe foreslog, at katodekompositter ved at kombinere et svovlaktivt materiale og carbon nanofiber (CNF) ved en elektrostatisk samlingsmetode, som ensartet kan kombinere materialer i en opløsning. All-solid-state lithium svovlbatterier, der bruger svovl-CNF-kompositter og elektrokemisk stabil Li ₂ S-P ₂ S ₅ -LiI faste elektrolytter syntetiseret ved væskefaseproces viste høj afladningskapacitet svarende til svovls teoretiske kapacitet og bibeholdt høj kapacitet efter gentagne ladnings-afladningscyklusser.

Den første forfatter, Assistentprofessor Nguyen Huu Huy Phuc fra Toyohashi University of Technology forklarede dets egenskaber "Det er påkrævet, at et svovlaktivt materiale og et kulstofmateriale er passende kombineret til fremstilling af højtydende all-solid-state lithium svovlbatterier. Konventionelt, svovl-carbon kompositter blev syntetiseret ved mekanisk blanding, flydende blanding ved hjælp af et specielt organisk opløsningsmiddel og komplicerede metoder, hvor svovl er kombineret med et porøst kulstofmateriale med et højt specifikt overfladeareal. Imidlertid, der var få rapporter om, at alle-faststof lithium svovl batterier viste høj kapacitet næsten svarende til den teoretiske kapacitet af svovl og høj cyklus stabilitet. Derfor, vi fokuserede på at lave en svovl-carbon-komposit ved hjælp af en billig og enkel elektrostatisk adsorptionsmetode, som ensartet kan kombinere nanomaterialer. Det blev bekræftet, at svovl ved svovl-carbon-kompositten syntetiseret ved elektrostatisk adsorptionsmetode blev akkumuleret på kulstofnanofiber i form af plader. Vi konstruerede al-solid-state lithium svovlbatterier og fandt ud af, at svovl blev fuldt udnyttet som et aktivt materiale. Den anden fordel er, at denne svovl-carbon-komposit kan fremstilles med lavere omkostninger end konventionelle processer."

Den elektrostatiske adsorptionsmetode er, at større moderpartikler og mindre partikler adsorberes elektrostatisk ved at justere overfladeladninger af partiklerne ved hjælp af polyelektrolytter for at inducere en elektrostatisk interaktion. Selvom design af en række keramiske kompositter ved elektrostatisk adsorption allerede var rapporteret, justeringen af ​​overfladeladningerne af svovl er vanskelig. Imidlertid, vores forskergruppe lykkedes med ladningsjusteringen ved at bruge kemiske reaktioner, hvori Na ₂ S og S reagerede i ionbyttet vand til dannelse af vandigt opløseligt Na ₂ S ₃ . Derfor, denne undersøgelse opnåede en ny kemisk proces ved at anvende det grundlæggende princip om elektrostatisk adsorption.

Denne metode er en billig og relativt enkel metode til fremstilling af svovl-carbon-kompositter, så den er velegnet til masseproduktion. All-solid-state lithium-svovl-batterier, der anvender et svovlaktivt materiale, vil blive brugt i praksis ved denne metode. Udover, det forventes den eksponentielle forbedring i elbilers energitæthed, store strømkildebatterier til husholdnings- og erhvervsbrug.