Lithium-svovl-batterier holder længere med nanomaterialepakket katode

Elektriske køretøjer kunne rejse længere, og mere vedvarende energi kunne lagres med lithium-svovl-batterier, der bruger et unikt pulveragtigt nanomateriale.

Forskere tilføjede pulveret, en slags nanomateriale kaldet en organisk metalramme, til batteriets katode for at fange problematiske polysulfider, der normalt får lithium-svovl-batterier til at svigte efter et par opladninger. Et papir, der beskriver materialet og dets ydeevne, blev offentliggjort online den 4. april i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

"Lithium-svovl-batterier har potentialet til at drive morgendagens elektriske køretøjer, men de skal holde længere efter hver opladning og kunne genoplades gentagne gange, " sagde materialekemiker Jie Xiao fra Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Vores organiske metalramme kan tilbyde en ny måde at få det til at ske."

Dagens elektriske køretøjer er typisk drevet af lithium-ion-batterier. Men kemien i lithium-ion-batterier begrænser, hvor meget energi de kan lagre. Som resultat, Elbilister er ofte bekymrede for, hvor langt de kan gå, før de skal lade op. En lovende løsning er lithium-svovl-batteriet, som kan rumme så meget som fire gange mere energi pr. masse end lithium-ion-batterier. Dette ville gøre det muligt for elektriske køretøjer at køre længere på en enkelt opladning, samt hjælpe med at lagre mere vedvarende energi. Nedsiden af ​​lithium-svovl-batterier, imidlertid, er de har en meget kortere levetid, fordi de i øjeblikket ikke kan oplades så mange gange som lithium-ion-batterier.

Energiopbevaring 101

Årsagen kan findes i, hvordan batterier fungerer. De fleste batterier har to elektroder:den ene er positivt ladet og kaldes en katode, mens den anden er negativ og kaldes en anode. Elektricitet genereres, når elektroner strømmer gennem en ledning, der forbinder de to. For at kontrollere elektronerne, positivt ladede atomer blander sig fra den ene elektrode til den anden gennem en anden vej:elektrolytopløsningen, hvori elektroderne sidder.

Lithium-svovl-batteriets vigtigste forhindringer er uønskede sidereaktioner, der afkorter batteriets levetid. Den uønskede virkning starter på batteriets svovlholdige katode, som langsomt går i opløsning og danner molekyler kaldet polysulfider, der opløses i den flydende elektrolyt. Noget af svovlen - en væsentlig del af batteriets kemiske reaktioner - vender aldrig tilbage til katoden. Som resultat, katoden har mindre materiale til at holde reaktionerne i gang, og batteriet dør hurtigt.

Nye materialer til bedre batterier

Forskere verden over forsøger at forbedre materialer til hver batterikomponent for at øge levetiden og almindelig brug af lithium-svovl-batterier. Til denne forskning, Xiao og hendes kolleger skærpede ind på katoden for at forhindre polysulfider i at bevæge sig gennem elektrolytten.

Mange materialer med små huller er blevet undersøgt for fysisk at fange polysulfider inde i katoden. Metalorganiske rammer er porøse, men den ekstra styrke af PNNL's materiale er dets evne til kraftigt at tiltrække polysulfidmolekylerne.

Rammens positivt ladede nikkelcenter binder polysulfidmolekylerne tæt til katoderne. Resultatet er en koordinat kovalent binding, der kombineret med rammens porøse struktur, får polysulfiderne til at blive siddende.

"MOF'ens meget porøse struktur er et plus, der yderligere holder polysulfidet tæt og får det til at blive inden for katoden, " sagde PNNL elektrokemiker Jianming Zheng.

Nanomateriale er nøglen

Organiske metalstrukturer - også kaldet MOF'er - er krystallignende forbindelser lavet af metalklynger forbundet med organiske molekyler, eller linkere. Sammen, klyngerne og linkerne samles til porøse 3-D strukturer. MOF'er kan indeholde en række forskellige elementer. PNNL-forskere valgte overgangsmetallet nikkel som det centrale element for denne særlige MOF på grund af dets stærke evne til at interagere med svovl.

Under laboratorietests, et lithium-svovl-batteri med PNNL's MOF-katode bevarede 89 procent af sin oprindelige strømkapacitet efter 100 op- og afladningscyklusser. Efter at have vist effektiviteten af ​​deres MOF-katode, PNNL-forskere planlægger nu at forbedre katodens blanding af materialer yderligere, så den kan indeholde mere energi. Holdet skal også udvikle en større prototype og teste den i længere perioder for at evaluere katodens ydeevne i den virkelige verden, store applikationer.

PNNL bruger også MOF'er i energieffektive adsorptionskølere og til at udvikle nye katalysatorer for at fremskynde kemiske reaktioner.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

I januar, -en Naturkommunikation paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.