Stopper svovl-shuttlen for bedre batterier

Efterhånden som vores samfund og transportsystemer bliver mere og mere elektrificerede, videnskabsmænd verden over søger mere effektive og højere kapacitet lagersystemer. Forskere ved KAUST har ydet et vigtigt bidrag ved at modificere lithium-svovl (Li-S) batterier for at undertrykke et problem kendt som polysulfid shuttling.

"Flaskehalsen i udnyttelsen af ​​vedvarende energi, især inden for transport, er behovet for højdensitetsbatterier, "siger Eman Alhajji, Ph.D. studerende og førsteforfatter til forskningsoplægget.

Li-S-batterier har flere potentielle fordele i forhold til de mest almindeligt anvendte batterityper. De har en højere teoretisk energilagringskapacitet, og svovl er et ugiftigt grundstof, der er let tilgængeligt i naturen. Svovl er også et affaldsprodukt fra den petrokemiske industri, så det kunne opnås relativt billigt og samtidig øge bæredygtigheden af ​​en anden industri.

Polysulfid-shuttling involverer bevægelse af svovlholdige mellemprodukter mellem katoden og anoden under batteriets kemiske processer. Dette forringer alvorligt kapaciteten og genopladningsevnen af ​​Li-S batteriteknologierne, der er blevet udforsket til dato.

KAUST-teamets løsning er baseret på et lag af grafen. De gør dette ved at udsætte en polyimidpolymer for laserenergi i en proces, der kaldes laserscribing, skabe et passende struktureret porøst materiale. Et nøgletræk er, at materialet er hierarkisk porøst i tre dimensioner, hvilket betyder, at den har en række porer i forskellige størrelser. Kulstofpartikler i nanostørrelse tilsættes derefter og optages af porerne for at danne det endelige produkt.

Alhajji og hendes kolleger fandt ud af, at anbringelse af et tyndt lag af dette materiale mellem katoden og anoden på et Li-S-batteri undertrykker polysulfid-shuttlingen betydeligt.

"At lave dette fritstående mellemlag kun et par mikrometer tykt var en udfordring, " siger Alhajji, tilføjer, "Det var sjovt at rulle den som legedej, men så måtte jeg håndtere det på en meget skånsom måde, især under batterisamling."

Indtil nu, de fleste foreslåede muligheder for at løse polysulfid-shuttling-problemet har lidt af begrænsninger, der gør dem uegnede til kommerciel anvendelse i stor skala. I modsætning, den laserskrevne grafen, der er udviklet på KAUST, fremstilles ved en metode, som forskerne beskriver som "skalerbar og ligetil."

Alhajji vandt en 2021 Materials Research Society Best Poster Award baseret på hendes idé til at undertrykke shuttling. "Dette er en virkelig udfordrende konkurrence, " siger Alhajjis supervisor Husam Alshareef, tilføjer, "Kun en håndfuld studerende fra Materials Science &Engineering-uddannelsen på KAUST har vundet denne pris."