Svovl i hule nanofibre overvinder udfordringer ved lithium-ion batteridesign

(PhysOrg.com) - Stanford -forskere har brugt nanoteknologi til at opfinde en bedre litiumionbatterikatode.

Udformningen af ​​nutidens genopladelige litiumionbatterier begrænser brugen af ​​nye teknologier som elbiler og energilagring i netskala, fordi de ikke lagrer nok energi i forhold til deres volumen og vægt-eller, som forskere ville sige, deres energitæthed er for lav.

At løse dette problem er stort set et spørgsmål om at finde nye materialer til de positivt og negativt ladede batterielektroder, katoden og anoden.

Forskningsgruppen for batteriopfinder Yi Cui, lektor i materialevidenskab og teknik, bruger nanoteknologi til at fremstille elektrodematerialer, der i høj grad forbedrer den elektriske lagerkapacitet for lithiumionbatterier. I tidligere undersøgelser, de genopfandt batterianoder ved at fremstille dem med silicium nanotråde.

Nu, Cui og hans studerende har brugt svovlbelagte hule carbon nanofibre og et specielt elektrolytadditiv til at forbedre den anden ende af det genopladelige litiumionbatteri, katoden. Resultaterne blev offentliggjort 14. september i tidsskriftet Nano bogstaver .

Ifølge Cui, at sætte silicium-nanotrådanoder og svovlbelagte carbonkatoder i et batteri er den næste generation af batteridesign.

"Jeg tror stærkt på, at det er et lovende fremtidigt valg for at lave bedre batterier, "Sagde Cui.

"Svovl er et af de materialer, der kan tilbyde en 10 gange højere opbevaringskapacitet, men med omkring halvdelen af ​​spændingen på det eksisterende batteri, " han sagde.

Både opladningskapaciteten og spændingen påvirker, hvor meget energi et batteri kan levere. Med svovlkatoden som en del af et komplet batteri, den højere opladningskapacitet gør det muligt at bygge et batteri med fire til fem gange energilagringen i forhold til eksisterende lithium -ion -batteriteknologi.

Lithium-svovlbatterier har fået opmærksomhed på grund af svovlens lave omkostninger og ikke-toksicitet. Imidlertid, tidligere generationer af lithium -svovlkatoder har ikke været levedygtige til kommercialisering, fordi de hurtigt mislykkes ved gentagen opladning og genopladning.

Den nye katodefabrikation løser en række materielle problemer, der, Cui sagde, "sammenlagt repræsenterer en virkelig stor udfordring for at få dette materiale til at fungere som et levedygtigt batteri."

I tidligere lithium-svovlkatodesign, svovlfrakker på relativt åbne kulstofstrukturer. Dette er et problem, fordi det udsætter svovl for batteriets elektrolytopløsning. Når mellemreaktionsprodukter kaldet lithiumpolysulfider kommer i kontakt med elektrolytopløsningen, de reducerer batteriets kapacitet ved at opløses i elektrolytten.

Som Cui's kandidatstuderende, Wesley Guangyuan Zheng, forklaret, "Dette kan være modstridende, fordi vi på den ene side ikke ønsker, at et stort overfladeareal kommer i kontakt med svovl og elektrolyt, og på den anden side ønsker vi et stort overfladeareal for elektriske og ioniske ledningsevner. "

Det nye design løser konflikten med en unik fremstillingsproces, der gør det muligt for svovl at belægge indersiden af ​​en hul carbon nanofiber, men ikke ydersiden. Denne fremstillingsproces er baseret på en ny anvendelse af en kommercielt tilgængelig filterteknologi, der normalt anvendes til vandfiltrering.

Det nye katodedesign forbedrer også batterikapaciteten, fordi den har en næsten lukket struktur, der forhindrer polysulfider i at sive væsentligt ud i elektrolytopløsningen. Længden af ​​en hul nanofiber er omkring 300 gange dens diameter; de lange og smalle kanaler forhindrer polysulfider i at lække ud.

Ud over de energilagringsgevinster, der opnås med forbedret fremstilling af nanofiber i svovlhul kulstof, Cui's kandidatstuderende Yuan Yang inkluderede et elektrolytadditiv, der forbedrer batteriets opladning og energieffektivitet, kendt som den coulombiske effektivitet.

"Uden additivet sætter du 100 elektroner i batteriet, og du får 85 ud. Med additivet, du får 99 ud, "Sagde Cui.

"For at designe den bedste struktur har vi brug for både elektrodesignet og elektrolytadditivet, og disse to tilsammen kan give dig en høj kapacitet og høj coulombisk effektivitet, "Sagde Cui." Vi har nu høj kapacitet på begge sider af elektroden; det er spændende. "