Genopladelige lithium-svovl-batterier får et løft fra grafen

(PhysOrg.com) -- Ved at pakke små svovlpartikler ind i grafenark, forskere fra Stanford University har syntetiseret et lovende katodemateriale til genopladelige lithium-svovl-batterier, der kan bruges til at drive elektriske køretøjer i stor skala. Når det kombineres med siliciumbaserede anoder, de nye grafen-svovl-katoder kan føre til genopladelige batterier med en væsentlig højere energitæthed, end det er muligt i øjeblikket.

Forskerne, ledet af Yi Cui og Hongjie Dai fra Stanford University, har offentliggjort deres undersøgelse i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Som forskerne forklarer i deres undersøgelse, for at drive elektriske køretøjer, der er konkurrencedygtige med benzindrevne køretøjer, en af ​​de største udfordringer er at forbedre energi- og effekttætheden for genopladelige lithium-batterier. Batteriernes svage punkt er i øjeblikket katodematerialerne, som har specifikke kapaciteter, der er meget lavere end anodematerialernes. (De specifikke kapaciteter for katodematerialer er ca. 150 mAh/g for lagoxider og 170 mAh/g for LiFe-PO4, mens dem for anodematerialer er 370 mAh/g for grafit og 4200 mAh/g for silicium.)

For at forbedre katoden, forskerne vendte sig mod svovl, som har en teoretisk specifik kapacitet på 1672 mAh/g, omkring fem gange højere end traditionelle katodematerialer. Selvom svovl har andre fordele, såsom lave omkostninger og en godartet miljøpåvirkning, det har også nogle ulemper. For eksempel, svovl er en dårlig leder, det udvider sig under udledning, og polysulfiderne opløses i elektrolyt. Sammen, disse problemer forårsager en lav cykluslevetid, lav specifik kapacitet, og lav energieffektivitet.

Tidligere forskning har vist, at tilsætning af kulstof til svovl kan øge svovlens elektriske ledningsevne. Men selvom forskellige kulstof-svovl-kompositter har opnået specifikke kapaciteter på mere end 1000 mAh/g, deres cykluslevetid er stadig lav; det er stadig en udfordring at bevare disse høje kapaciteter i mere end 100 cyklusser.

"Vi udviklede en strategi med grafenindpakning for at overvinde mange problemer relateret til brugen af ​​svovl som lithium-ion batterikatoder, ” fortalte Cui PhysOrg.com . "Vi har vist fremragende cykelpræstationer."

For at opnå denne høje ydeevne, Stanford-forskerne lavede nogle justeringer af svovlen. Først, de coatede submikrometer svovlpartikler med poly(ethylenglycol) (PEG) for at fange polysulfiderne og forhindre deres opløsning. Den fleksible PEG-belægning forbedrer også cykluslevetiden ved at rumme svovlpartiklernes volumenudvidelse under udledningsdelen af ​​hver cyklus. Næste, forskerne pakkede de belagte svovlpartikler ind med grafenplader dekoreret med kulsorte nanopartikler, hvilket forbedrer svovlkatodens ledningsevne. Det løst pakkede grafenlag fanger også yderligere polysulfider og rummer volumenudvidelsen af ​​svovlen.

"Dette er et meget rationelt materialedesign til at overvinde problemerne med polysulfidopløsning, " sagde Hailiang Wang, hovedforfatter af papiret.

Forskerne viste, at den resulterende grafen-svovl-katode kan opnå høje specifikke kapaciteter på 500-600 mAh/g i mere end 100 cyklusser. Det nye katodemateriale kunne bruges til at fremstille genopladelige batterier med en højere energitæthed end andre genopladelige batterier i dag.

"Kapacitetsfading er kun omkring 10-15% i 100 cyklusser, hvilket er meget spændende, " sagde medforfatter Yuan Yang, der lavede elektroder og celler i projektet.

Imidlertid, før sådanne batterier kan fremstilles, forskerne skal forholde sig til den store ydelsesvariabilitet af lithium-svovl-batterierne, som de testede i denne undersøgelse. For eksempel, omkring 30-50% af batterierne havde et 20-25% henfald over 100 cyklusser. I fremtiden, forskerne håber at fortsætte med at forbedre dækningen af ​​svovl for at muliggøre tabsfri cykling.

"Samlet set de største udfordringer for genopladelige batterier til elektriske køretøjer er at øge energitætheden og reducere omkostningerne, sagde Cui. "At bruge højenergi- og billige materialer som svovl er meget attraktivt."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.