Ett team vid Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) har för första gången tillverkat ett nanomaterial tillverkat av nanopartiklar av en titanoxidförening (Ti4O7) som kännetecknas av en extremt stor ytarea, och testade det som ett katodmaterial i litium-svavelbatterier. Det mycket porösa nanomaterialet har hög lagringskapacitet som förblir nästan konstant under många laddningscykler.

För närvarande, litiumbatterier är en av de bästa lösningarna för att lagra elektrisk kraft i ett litet utrymme. Litiumjoner i dessa batterier migrerar från anoden till den motsatta elektriska polen, katoden, under urladdningscykeln. Anoden och katoden består i allmänhet av tungmetallföreningar som är dyra och giftiga.

Ett intressant alternativ är litium-svavelbatteriet. I detta fall, katoden består inte av tungmetaller, men istället för svavel - ett ekonomiskt och allmänt tillgängligt material. När litiumjoner migrerar till katoden under urladdningscykeln, där sker en reaktion som bildar litiumsulfid (Li2S) via olika mellanliggande litiumpolysulfider. Under cykling, upplösning av litiumpolysulfider gör att batteriets kapacitet minskar under flera laddningscykler via den så kallade "skytteleffekten". Av denna anledning, forskare världen över arbetar med att förbättra katodmaterial som kemiskt eller fysiskt kan begränsa eller inkapsla polysulfider, såsom med nanopartiklar gjorda av titandioxid (TiO ₂ ), till exempel.

Ti4O7-nanopartiklar med sammankopplade porstruktur

HZB -teamet som leds av prof. Yan Lu har nu tillverkat ett katodmaterial som är ännu mer effektivt. Här också, nanopartiklar ger svavelinneslutning. Dock, de består inte av titandioxid, men istället för Ti ₄ O ₇ molekyler arrangerade på en porös sfärisk yta. Dessa porösa nanopartiklar binder polysulfider väsentligt starkare än det vanliga TiO ₂ nanopartiklar.

"Vi har utvecklat en speciell tillverkningsprocess för att skapa detta komplex, tredimensionellt sammankopplad porstruktur ", förklarar Yan Lu. Yan Lu tillverkar först en mall gjord av en matris av små polymersfärer som har porösa ytor. Denna mall är utarbetad i ytterligare steg, nedsänktes sedan i en lösning av titanisopropoxid. Ett lager Ti ₄ O ₇ bildas på de porösa sfärerna och kvarstår efter termisk behandling, som sönderdelar den underliggande polymeren. Jämfört med andra katodmaterial av titanoxider, Ti ₄ O ₇ nanosfärmatris har en extremt stor ytarea. 12 gram av detta material skulle täcka en fotbollsplan.

Funktion avkodad på BESSY II

Röntgenspektroskopimätningar (XPS) vid CISSY-experimentet med BESSY II visar att svavelföreningar binder starkt till ytan i nanomatrisen.

Hög specifik kapacitet

Detta står också för den höga specifika kapaciteten per gram (1219 mAh) vid 0,1 C (1 C =1675 mA g ^-1 ). Den specifika kapaciteten minskar också mycket lite vid upprepade laddnings-/urladdningscykler (0,094 procent per cykel). Som jämförelse, katodmaterialets specifika kapacitet av TiO2 -nanopartiklar är 683 mAh/g. För att öka ledningsförmågan hos detta material, det är möjligt att applicera en extra beläggning av kol på nanopartiklarna. Den mycket porösa strukturen förblir intakt efter denna process.

Uppskalning är genomförbar

"Vi har arbetat med att förbättra repeterbarheten av denna syntes i över ett år. Nu vet vi hur vi ska göra. Därefter, vi kommer att arbeta med att tillverka materialet som en tunnfilm ", säger Yan Lu. Och det bästa:i det här fallet, det som har lyckats i laboratoriet kan också överföras till kommersiell tillverkning. Detta beror på att alla processer, från kolloidkemin till tunnfilmstekniken, är skalbara.