Forskere øger lithium-svovlbatteriets levetid med en faktor 10

(Phys.org)—Verden af ​​genopladelige batterier er fuld af afvejninger. Mens lithium-ion (Li-ion) batterier i øjeblikket er de mest kommercielt succesrige, deres lave energitæthed tillader ikke en lang køreafstand. De er også meget dyre, ofte står for halvdelen af ​​prisen på elbiler. Et alternativ er lithium-svovl (Li-S) batterier, som er attraktive for deres høje gravimetriske energitæthed, der giver dem mulighed for at lagre mere energi end Li-ion-batterier. Og selvom de stadig bruger lidt lithium, svovlkomponenten gør, at de er meget billigere end Li-ion-batterier. Men en af ​​de største ulemper ved Li-S batterier er deres korte levetid, hvilket får dem til at miste meget af deres kapacitet, hver gang de genoplades.

Nu er et team af forskere ledet af Yi Cui, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Stanford University, har udviklet et Li-S batteri, der kan bevare mere end 80 % af dets 1180 mAh/g kapacitet over 300 cyklusser, med potentiale for lignende kapacitetsbevarelse over tusindvis af cyklusser. I modsætning, de fleste Li-S-batterier mister meget af deres kapacitet efter et par snesevis af cyklusser.

For at opnå denne forbedring, forskerne identificerede først en ny mekanisme, der forårsager kapacitetsfald i Li-S-batterier efter cykling. For at et Li-S-batteri kan genoplades, lithiumsulfidet i katoden skal være bundet til katodeoverfladen - i dette tilfælde, den indre overflade af den hule kulstof nanofiber, der indkapsler den. Denne binding skaber en god elektrisk kontakt for at tillade ladningsflow. Men forskerne fandt ud af, at under udskrivningsprocessen, lithiumsulfidet løsner sig fra kulstoffet, resulterer i tab af elektrisk kontakt, der forhindrer batteriet i at genoplades helt.

Før nu, det har været meget udfordrende at studere svovlkatoden på nanoskala på grund af svovlforbindelsens følsomhed over for luft og fugt, samt dens tendens til at sublimere under et vakuum. Men anodens hule kulstof nanofiberstruktur - som forskerne udviklede i en tidligere undersøgelse - beskytter svovlen, hvilket gjorde det muligt for forskerne at se katoden ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop (TEM) uden at beskadige prøven væsentligt.

Efter at have identificeret problemet, forskerne gik i gang med at fikse det ved at tilføje polymerer til kulstofnanofiberoverfladen for at modificere kulstof-svovl-grænsefladen. Polymererne er amfifile, hvilket betyder, at de både er hydrofile (vand-elskende) og lipofile (fedt-elskende), ligner sæbe. Denne egenskab giver polymererne forankringspunkter, der gør det muligt for lithiumsulfiderne at binde stærkt til kulstofoverfladen for at opretholde stærke elektriske kontakter.

Som eksperimenter viste, svovlkatoder indeholdende de amfifile polymerer havde meget stabil ydeevne, med mindre end 3 % kapacitetsfald over de første 100 cyklusser, og mindre end 20 % henfald i mere end 300 cyklusser.

Selvom forbedringen er et stort skridt fremad, kapacitetsbevarelsen kan stadig ikke sammenlignes med Li-ion-batterier, hvoraf nogle har en levetid, der nærmer sig 10, 000 cyklusser. For at undgå at skulle udskifte batteriet hvert par år, elbiler kræver disse længere levetider. Men Cui siger, at Li-S-batterier har potentialet til at lukke dette hul i en overskuelig fremtid.

"Ved at bruge ideen om amfifil polymer her i dette papir, sammen med design og syntese af materialer i nanoskala, det er muligt at forbedre cykluslevetiden op til 10, 000 cyklusser, " fortalte Cui Phys.org . "Min gruppe arbejder på dette. Vores seneste resultater om design af nanomaterialer er allerede blevet forbedret til 1000 cyklusser."

I fremtiden, Cui tror, ​​at Li-S-batterier vil give Li-ion-batterier en seriøs konkurrence.

"Li-S-batterierne bliver ret lovende til elektriske køretøjer, " sagde han. "Livscyklussen skal forbedres yderligere. Lithiummetalanodernes sikkerhedsproblem skal løses. Det er muligt at komme uden om Li-metalanoder med Si-anoder."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.