Glasbelægning forbedrer batteriets ydeevne

Lithium-svovl-batterier har været et varmt emne i batteriforskning på grund af deres evne til at producere op til 10 gange mere energi end konventionelle batterier, hvilket betyder, at de lover meget for applikationer i energikrævende elbiler.

Imidlertid, der har været grundlæggende vejspærringer for at kommercialisere disse svovlbatterier. Et af hovedproblemerne er tendensen til lithium- og svovlreaktionsprodukter, kaldet lithiumpolysulfider, at opløses i batteriets elektrolyt og rejse til den modsatte elektrode permanent. Dette får batteriets kapacitet til at falde i løbet af dets levetid.

Forskere ved Bourns College of Engineering ved University of California, Riverside har undersøgt en strategi for at forhindre dette "polysulfid-shuttling"-fænomen ved at skabe svovlpartikler i nanostørrelse, og belægning dem i silica (SiO2), ellers kendt som glas.

Arbejdet er beskrevet i et papir, "SiO2 - Coated svovlpartikler som katodemateriale til lithium-svovlbatterier, " netop offentliggjort online i tidsskriftet Nanoskala . Ud over, forskerne er blevet inviteret til at indsende deres arbejde til offentliggørelse i det specielle temanummer Graphene-baserede Energy Devices i RSC Nanoscale.

Ph.D. studerende i Cengiz Ozkans og Mihri Ozkans forskningsgrupper har arbejdet på at designe et katodemateriale, hvor silicabure "fanger" polysulfider med en meget tynd skal af silica, og partiklernes polysulfidprodukter står nu over for en fangstbarriere - et glasbur. Holdet brugte en organisk forløber til at konstruere fangstbarrieren.

"Vores største udfordring var at optimere processen for at afsætte SiO2 - ikke for tyk, ikke for tynd, om tykkelsen af ​​en virus", sagde Mihri Ozkan.

Kandidatstuderende Brennan Campbell, Jeffrey Bell, Hamed Hosseini Bay, Zachary favoriserer, og Robert Ionescu fandt ud af, at svovlpartikler i silicabur gav en væsentligt højere batteriydelse, men følte, at yderligere forbedring var nødvendig på grund af udfordringen med brud på SiO2-skallen.

"Vi har besluttet at inkorporere mildt reduceret grafenoxid (mrGO), en nær slægtning til grafen, som et ledende additiv i katodematerialedesign, at give mekanisk stabilitet til de glasindkapslede strukturer", sagde Cengiz Ozkan.

Den nye generation af katode gav en endnu mere dramatisk forbedring end det første design, siden holdet konstruerede både en polysulfid-fangende barriere og et fleksibelt grafenoxidtæppe, der udnytter svovl og silica sammen under cykling.

"Designet af kerne-skal strukturen bygger i det væsentlige på funktionaliteten af ​​polysulfid overflade-adsorption fra silica skallen, selvom skallen går i stykker", sagde Brennan Campbell. "Inkorporering af mrGO tjener systemet godt til at holde polysulfidfælderne på plads. Svovl ligner oxygen i dets reaktivitet og energi, men kommer stadig med fysiske udfordringer, og vores nye katodedesign tillader svovl at udvide sig og trække sig sammen, og blive udnyttet."