Svovl i hver pore:Forbedrede batterier med carbon nanopartikler

Fra smartphones til e-cykler, antallet af mobile elektroniske enheder vokser støt rundt om i verden. Som resultat, der er et øget behov for små og lette batterier, alligevel kraftfuld. Da potentialet for yderligere forbedring af lithium-ion-batterier er næsten udtømt, eksperter vender nu til en ny og lovende strømopbevaringsenhed:lithium-svovlbatterier.

I et vigtigt skridt i retning af den videre udvikling af denne type batterier, et team ledet af professor Thomas Bein fra LMU München og Linda Nazar fra Waterloo University i Canada har udviklet porøse carbon nanopartikler, der udnytter svovlmolekyler til at opnå størst mulig effektivitet.

I prototyper af litium-svovlbatteriet, lithiumioner udveksles mellem lithium- og svovl-carbonelektroder. Svovlet spiller en særlig rolle i dette system:Under optimale omstændigheder, det kan absorbere to lithiumioner pr. svovlatom. Det er derfor et glimrende energilagringsmateriale på grund af dets lave vægt. På samme tid, svovl er en dårlig leder, hvilket betyder, at elektroner kun kan transporteres med store vanskeligheder under opladning og afladning. For at forbedre dette batteris design bestræber forskerne ved Nanosystems Initiative München (NIM) sig på at generere svovlfaser med det størst mulige grænsefladeområde for elektronoverførsel ved at koble dem med et nanostruktureret ledende materiale.

Til denne ende, Thomas Bein og hans team på NIM udviklede først et netværk af porøse carbon nanopartikler. Nanopartiklerne har 3- til 6-nanometer brede porer, tillader svovl at blive jævnt fordelt. På denne måde, næsten alle svovlatomerne er tilgængelige til at acceptere lithiumioner. Samtidig er de også placeret tæt på det ledende kulstof.

"Svovlet er meget tilgængeligt elektrisk i disse nye og meget porøse carbon -nanopartikler og er stabiliseret, så vi kan opnå en høj startkapacitet på 1200 mAh/g og god cyklusstabilitet, "forklarer Thomas Bein." Vores resultater understreger nano-morfologiens betydning for udførelsen af ​​nye energilagringskoncepter. "

Kulstrukturen reducerer også det såkaldte polysulfidproblem. Polysulfider dannes som mellemprodukter fra de elektrokemiske processer og kan have en negativ indvirkning på opladning og afladning af batteriet. Kulstofnetværket binder polysulfiderne, imidlertid, indtil deres omdannelse til det ønskede dilithiumsulfid er opnået. Forskerne var også i stand til at belægge kulstofmaterialet med et tyndt lag siliciumoxid, der beskytter mod polysulfider uden at reducere ledningsevnen.

I øvrigt, forskerne har også sat rekord med deres nye materiale:Ifølge de nyeste data, deres materiale har det største interne porevolumen (2,32 cm3/g) af alle mesoporøse carbon -nanopartikler, og et ekstremt stort overfladeareal på 2445 m2/g. Dette svarer nogenlunde til et objekt med volumen på en sukkerterning og overfladen på ti tennisbaner. Store overflader som dette kan snart blive gemt inde i vores batterier.