Litium-svavelbatterier är lovande kandidater för att ersätta vanliga litiumjonbatterier i elfordon eftersom de är billigare, väger mindre, och kan lagra nästan dubbelt så mycket energi för samma massa. Dock, litium-svavelbatterier blir instabila med tiden, och deras elektroder försämras, begränsa den utbredda adoptionen.

Nu, ett team av forskare ledda av forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har rapporterat att en ny litium-svavelbatterikomponent tillåter en fördubbling av kapaciteten jämfört med ett konventionellt litium-svavelbatteri, även efter mer än 100 laddningscykler vid höga strömtätheter, som är nyckelprestandamått för deras användning i elfordon (EV) och inom flyg.

De gjorde det genom att designa ett nytt polymerbindemedel som aktivt reglerar viktiga jontransportprocesser i ett litium-svavelbatteri, och har också visat hur det fungerar på molekylär nivå. Arbetet rapporterades nyligen i Naturkommunikation .

"Den nya polymeren fungerar som en vägg, sa Brett Helms, en stabsforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry och motsvarande författare till studien. "Svavelet laddas in i porerna på en kolvärd, som sedan förseglas av vår polymer. Eftersom svavel deltar i batteriets kemiska reaktioner, polymeren hindrar de negativt laddade svavelföreningarna från att vandra ut. Batteriet har ett stort löfte för att möjliggöra nästa generations elbilar."

När ett litium-svavelbatteri lagrar och frigör energi, den kemiska reaktionen producerar mobila svavelmolekyler som kopplas bort från elektroden, får det att försämras och i slutändan sänker batteriets kapacitet med tiden. För att göra dessa batterier mer stabila, forskare har traditionellt arbetat med att utveckla skyddande beläggningar för sina elektroder, och att utveckla nya polymerbindemedel som fungerar som det lim som håller ihop batterikomponenterna. Dessa bindemedel är avsedda att kontrollera eller mildra elektrodens svullnad och sprickbildning.

Den nya pärmen går ett steg längre. Forskare från Organic Synthesis Facility vid Berkeley Labs Molecular Foundry, ett forskningscenter specialiserat på vetenskap i nanoskala, designade en polymer för att hålla svavlet i närheten av elektroden genom att selektivt binda svavelmolekylerna, motverkar dess migrationstendenser.

Nästa steg var att förstå de dynamiska strukturella förändringar som sannolikt kommer att inträffa under laddning och urladdning såväl som vid olika laddningstillstånd. David Prendergast, som leder gjuteriets teorianläggning, och Tod Pascal, en projektforskare vid Theory Facility, byggde en simulering för att testa forskarnas hypoteser om polymerens beteende.

"Vi kan nu på ett tillförlitligt och effektivt sätt modellera svavelkemi inom dessa bindemedel baserat på att lära oss från detaljerade kvantmekaniska simuleringar av de lösta svavelhaltiga produkterna, sade Prendergast.

Deras storskaliga simuleringar av molekylär dynamik, genomfördes på superdatorresurser vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), bekräftade att polymeren har en affinitet för att binda de mobila svavelmolekylerna, och förutspådde också att polymeren sannolikt skulle visa en preferens för att binda olika svavelarter vid olika laddningstillstånd för batteriet. Experiment utförda vid Berkeley Labs Advanced Light Source och Argonne National Laboratorys Electrochemistry Discovery Lab bekräftade dessa förutsägelser.

Forskargruppen tog sin studie ett steg längre genom att också undersöka prestandan hos litium-svavelceller gjorda med det nya polymerbindemedlet. Genom en uppsättning experiment, de kunde analysera och kvantifiera hur polymeren påverkar den kemiska reaktionshastigheten i svavelkatoden, vilket är nyckeln till att uppnå hög strömtäthet och hög effekt med dessa celler.

Genom att nästan fördubbla batteriets elektriska kapacitet under långvarig cykling, den nya polymeren höjer ribban för kapaciteten och kraften hos litium-svavelbatterier.

Den kombinerade förståelsen av syntesen, teori, och egenskaperna hos den nya polymeren har gjort den till en nyckelkomponent i prototypen av litium-svavelcell vid DOE:s Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).