Holistisk celledesign fører til højtydende, lithium-svovl batteri med lang levetid

Forskere ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har på laboratoriet demonstreret et litium-svovl (Li/S) batteri, der har mere end dobbelt så stor energi som lithium-ion-batterier, og det varer mere end 1, 500 cykler ladning-afladning med minimalt henfald af batteriets kapacitet. Dette er den længste cykluslevetid, der er rapporteret hidtil for ethvert lithium-svovlbatteri.

Efterspørgsel efter højtydende batterier til elektriske og hybridelektriske køretøjer, der er i stand til at matche forbrændingsmotorens rækkevidde og effekt, opfordrer forskere til at udvikle nye batterikemikalier, der kan levere mere strøm og energi end lithium-ion-batterier, i øjeblikket den bedst effektive batterikemi på markedet.

For elektriske køretøjer med en rækkevidde på 300 kilometer, batteriet skal levere en specifik energi på celleniveau på 350 til 400 Watt-timer/kilogram (Wh/kg). Dette ville kræve næsten det dobbelte af den specifikke energi (ca. 200 Wh/kg) for nuværende lithium-ion-batterier. Batterierne skal også have mindst 1, 000, og helst 1, 500 opladningsudladningscyklusser uden at vise et mærkbart tab af strøm eller energilagringskapacitet.

"Vores celler kan give en betydelig mulighed for udvikling af nulemissionskøretøjer med en rækkevidde, der ligner benzinkøretøjers." siger Elton Cairns, af divisionen Environmental Energy Technologies (EETD).

Resultaterne blev rapporteret i journalen Nano bogstaver .

Fordele ved lithium svovl, og udfordringer

"Lithium-svovlbatteriets kemi har tiltrukket opmærksomhed, fordi den har en meget højere teoretisk specifik energi end lithium-ion-batterier har, "siger Cairns." Lithium-svovlbatterier ville også være ønskeligt, fordi svovl ikke er giftigt, sikker og billig, "tilføjer han. Li/S-batterier ville være billigere end nuværende Li-ion-batterier, og de ville være mindre tilbøjelige til sikkerhedsproblemer, der har plaget Li-ion-batterier, såsom overophedning og ild.

Udviklingen af ​​litium-svovlbatteriet har også sine udfordringer. Under udladning har lithiumpolysulfider en tendens til at opløses fra katoden i elektrolytterne og reagere med lithiumanoden, der danner et barrierelag af Li2S. Denne kemiske nedbrydning er en grund til, at cellens kapacitet begynder at falme efter blot et par cyklusser.

Et andet problem med Li/S -batterier er, at konverteringsreaktionen fra svovl til Li2S og tilbage får svovlelektrodens volumen til at svulme op og trække sig op til 76 procent under celledrift, hvilket fører til mekanisk nedbrydning af elektroderne. Når svovlelektroden udvides og krymper under cykling, svovlpartiklerne kan blive elektrisk isoleret fra elektrodens strømkollektor.

Holistisk celledesign adresserer kemisk og mekanisk nedbrydning

Prototypecellen designet af forskergruppen bruger flere elektrokemiske teknologier til at løse denne række problemer. Katoden består af svovl-grafenoxid (S-GO), et materiale udviklet af teamet, der kan rumme volumenændringen af ​​det elektrodeaktive materiale, da svovl omdannes til Li2S ved udledning, og tilbage til elementært svovl ved genopladning.

For yderligere at reducere mekanisk nedbrydning fra volumenændringen under drift, holdet brugte et elastomerisk bindemiddel. Ved at kombinere elastomert styrenbutadiengummi (SBR) bindemiddel med et fortykningsmiddel, battericellens levetid og strømtæthed steg betydeligt i forhold til batterier ved hjælp af konventionelle bindemidler.

For at løse problemet med polysulfidopløsning og den kemiske nedbrydning anvendte forskergruppen en belægning af cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) overfladeaktivt stof, der også bruges i lægemiddelleveringssystemer, farvestoffer, og andre kemiske processer. CTAB -belægning på svovlelektroden reducerer elektrolytens evne til at trænge ind og opløse elektrodematerialet.

Desuden, teamet udviklede en ny ionisk væskebaseret elektrolyt. Den nye elektrolyt hæmmer opløsningen af ​​polysulfider og hjælper batteriet med at køre med en høj hastighed, øge hastigheden, hvormed batteriet kan oplades, og den kraft, den kan levere under afladning. Den ioniske væskebaserede elektrolyt forbedrer også signifikant sikkerheden ved Li-S batteriet, da ioniske væsker er ikke-flygtige og ikke-brandfarlige.

Batteriet viste oprindeligt en estimeret cellespecifik energi på mere end 500 Wh/kg, og det holdt det på> 300 Wh/kg efter 1, 000 cykler-meget højere end for nuværende tilgængelige lithiumionceller, som i øjeblikket gennemsnitligt cirka 200 Wh/kg.

"Det er den unikke kombination af disse elementer i cellens kemi og design, der har ført til en litium-svovlcelle, hvis ydeevne aldrig er opnået i laboratoriet før-lang levetid, kapacitet med høj hastighed, og specifik energi på højt celleniveau, "siger Cairns.

Teamet søger nu støtte til den fortsatte udvikling af Li/S -cellen, herunder højere udnyttelse af svovl, drift under ekstreme forhold, og skalering. Der søges partnerskaber med industrien.

De næste trin i udviklingen er at øge celleenergitætheden yderligere, forbedre cellens ydeevne under ekstreme forhold, og skaleres op til større celler.