Kemikere søger state-of-the-art lithium-svovl batterier

Hvornår kan vi forvente at køre hele Tyskland i en elbil uden at skulle fylde batteriet op? Kemikere ved NIM Cluster på LMU og ved University of Waterloo i Ontario, Canada, har nu syntetiseret et nyt materiale, der kunne vise vejen frem til state-of-the-art lithium-svovl-batterier.

Hvorvidt fremtiden for biltrafik tilhører den blødt spindende elbil eller ej, afhænger i høj grad af udviklingen af ​​dens batterier. Industrien lægger i øjeblikket det meste af sit håb på lithium-svovlbatterier, som har en meget høj lagerkapacitet. I øvrigt, takket være inklusionen af ​​svovlatomer, de er billigere at fremstille og mindre giftige end konventionelle lithium-ion-kraftpakker.

Imidlertid, lithium-svovl-batteriet byder stadig på flere store udfordringer, som skal løses, indtil det kan integreres i biler. For eksempel, både hastigheden og antallet af mulige ladningsafladningscyklusser skal øges, før lithium-svovlbatteriet kan blive et realistisk alternativ til lithium-ion-batterier.

Masser af porer til svovl

Kemikerne Professor Thomas Bein (LMU), Koordinator for Energy Conversion Division af Nanosystems Initiative München, Professor Linda Nazar (University of Waterloo, Waterloo Institute of Nanotechology) og deres kolleger er nu lykkedes med at producere en ny type nanofiber, hvis meget ordnede og porøse struktur giver det et ekstraordinært højt overflade-til-volumen-forhold. Dermed, en prøve af det nye materiale på størrelse med en sukkerterning præsenterer et overfladeareal svarende til mere end syv tennisbaner.

"Det høje overflade-til-volumen-forhold, og højt porevolumen er vigtigt, fordi det tillader svovl at binde til elektroden på en findelt måde, med relativt høj belastning. Sammen med dens lette tilgængelighed, dette øger effektiviteten af ​​de elektrokemiske processer, der forekommer i løbet af ladnings-afladningscyklusser. Og hastighederne for nøglereaktionerne ved svovlelektrode-elektrolytgrænsefladen, som involverer både elektroner og ioner, er meget afhængige af det samlede tilgængelige areal, "som Benjamin Mandlmeier, en postdoc i Bein's Institute og en første medforfatter til det nye studie, forklarer.

Den hemmelige opskrift

En ny opskrift og en smart designet syntesemåde er de vigtigste faktorer, der bestemmer egenskaberne af de nye materialer. For at syntetisere kulfiberne, kemikerne forbereder først en porøs, rørformet silica skabelon, fra kommercielt tilgængeligt, men ikke-porøse fibre. Denne skabelon fyldes derefter med en speciel blanding af kulstof, siliciumdioxid og overfladeaktive stoffer, som derefter opvarmes til 900°C. Til sidst fjernes skabelonen og SiO2 ved en ætsningsproces. Under proceduren, carbon nanorørene - og dermed porestørrelsen - krymper i mindre omfang end de ville i mangel af den begrænsende skabelon, og selve fibrene er tilsvarende mere stabile.

"Nanostrukturerede materialer har et stort potentiale for effektiv omdannelse og opbevaring af elektrisk energi, " siger Thomas Bein. "Vi i NIM-klyngen vil fortsætte med at samarbejde tæt med vores kolleger i det bayerske SolTech-netværk for at udforske og udnytte egenskaberne ved sådanne strukturer og deres praktiske anvendelser."