Forskere forenkler produktionen af ​​lithium-svovlbatterier for at imødekomme fremtidige behov for energilagring

Singapore-forskere fra NanoBio Lab (NBL) fra A*STAR har udviklet en ny tilgang til at forberede næste generation af lithium-svovl-katoder, hvilket forenkler den typisk tidskrævende og komplicerede proces til at fremstille dem. Dette repræsenterer et lovende skridt i retning af kommercialisering af lithium-svovl-batterier, og adresserer industriens behov for en praktisk tilgang til opskalering af produktionen af ​​nye materialer, der forbedrer batteriets ydeevne.

Mens lithium-ion-batteriet er bredt anerkendt som en avanceret teknologi, der effektivt kan drive moderne kommunikationsenheder, det har ulemper såsom begrænset lagerkapacitet og sikkerhedsproblemer på grund af dets iboende elektrokemiske ustabilitet. Dette skal ændres med en ny forenklet teknik udviklet af NBLs team af forskere, i udviklingen af ​​lithium-svovl katoder fra billige kommercielt tilgængelige materialer. Svovls høje teoretiske energitæthed, lave omkostninger og overflod bidrager til populariteten af ​​lithium-svovl batterisystemer som en potentiel erstatning for lithium-ion batterier.

Teoretisk set, lithium-svovl-batterier er i stand til at lagre op til 10 gange mere energi end lithium-ion-batterier, men til dato er ikke i stand til at opretholde dette over gentagen opladning og afladning af batteriet. NBL's lithium-svovl katode demonstrerede fremragende specifik kapacitet på op til 1, 220 mAh/g, hvilket betyder, at 1 gram af dette materiale kunne lagre en ladning på 1, 220 mAh. I modsætning, en typisk lithium-ion katode har en specifik energikapacitet på 140 mAh/g. Ud over, NBL's katode kunne bevare sin høje kapacitet over 200 opladningscyklusser med minimalt tab i ydeevne. Nøglen til dette var NBLs unikke to-trins tilgang til at forberede katoden.

Ved først at bygge kulstofværten før tilsætning af svovlkilden, forskerne opnåede et 3D-sammenkoblet porøst nanomateriale. Denne tilgang forhindrer NBL's kulstofstillads i at kollapse, når batteriet oplades, i modsætning til konventionelt fremstillede katoder. Sidstnævnte kollapser under den indledende opladnings- og afladningscyklus, resulterer i en strukturændring. Som sådan, de konventionelle katoder bliver meget tætte og kompakte med et lavere overfladeareal og mindre porer, hvilket resulterer i lavere batteriydelse end NBL's kulstofstillads. Faktisk, NBLs katode tilbød 48 % højere specifik kapacitet og 26 % mindre kapacitetsfading end konventionelt fremstillede svovlkatoder. Når der blev tilsat mere svovl til materialet, NBL's katode opnåede en høj praktisk arealkapacitet på 4 mAh pr. cm ² .

"Vi har vist, at fremstillingsteknikken for svovlkatoder har en stærk indflydelse på den elektrokemiske ydeevne i lithium-svovl-batterier, " sagde professor Jackie Y. Ying, der leder NBL-forskerholdet. "Vores metode er industrielt skalerbar, og vi forventer, at den vil have en betydelig indflydelse på det fremtidige design af praktiske lithium-svovl-batterier."

NBL-forskerne arbejder på at designe og optimere ikke kun katoden, men også anoden, separator og elektrolyt gennem nanomateriale engineering. Målet er at udvikle et fuldcellesystem til lithium-svovl batteri, der har overlegen energilagringskapacitet, sammenlignet med konventionelle lithium-ion-batterier. Sådan et nyt batterisystem kan holde meget længere end nuværende batterier, og ville være af stor interesse for elektroniske enheder, elbiler og netenergilagring.