Uppladdningsbara litium-svavelbatterier, där elektroderna är gjorda av litium (Li) metall och svavel (S) separerade av en flytande elektrolyt, skulle kunna ersätta litiumjonbatterier om vi kunde förstå hur man stoppar reaktioner som minskar batteriets prestanda. Under batteridrift, polysulfidjoner bildas vid svavelelektroden, men de kan lösas upp i elektrolyten och så småningom begränsa batteriets prestanda. Beräkningar visar omfattande klusterbildning (vänster struktur (Li2S4)n) förekommer för kortare polysulfider, vilket begränsar lösligheten av de kortare jonerna i rent lösningsmedel. Mindre klustring inträffade när ett litiumsalt sattes till lösningsmedlet för att bilda den flytande elektrolyten (höger struktur (Li) 2 S4) n-x TFSI n’ ), vilket oväntat ökade lösligheten av de kortare jonerna i elektrolyten. Dessa ögonblicksbilder av strukturerna ger insikter om elektrolytdesign för att möjliggöra bättre batterier.
I framtiden, uppladdningsbara litium-svavelbatterier (Li-S) kan hålla mer energi och kosta mindre än litiumjonbatterier om de kan fås att hålla längre. En viktig utmaning är att förhindra att polysulfidjonerna som måste bildas vid svavelelektroden under urladdning transporteras genom den flytande elektrolyten till den andra elektroden. Här, forskare upptäckte hur lösligheten och transporten av polysulfidjoner i den flytande elektrolyten relaterar till polysulfidjonens kedjelängd, jonens tendens att klunga ihop sig, och mängden litiumsalt närvarande i elektrolyten. Det är anmärkningsvärt att polysulfider av valfri kedjelängd eller struktur lösta i den flytande elektrolyten kan bidra till sämre prestanda hos batteriet.
För att öka livslängden för uppladdningsbara litium-svavelbatterier måste polysulfidtransport mellan elektroderna förhindras under drift. Kunskap om hur elektrolytens salt- och lösningsmedelsmolekyler interagerar med polysulfider hjälper till att förstå deras löslighet. Insikter från studier om dessa interaktioner kan hjälpa till vid utformningen av nya elektrolyter för längre hållbarhet, praktiska uppladdningsbara litium-svavelbatterier.
Litium-svavelbatteriet har en teoretisk energitäthet som är mycket större än kommersiella litiumjonbatterier; dock, Tekniken uppvisar blekning och därmed begränsad batteritid. I dessa batterier, aktiva svavelarter (som lösta polysulfidjoner) migrerar till litiummetallelektroden. Sedan, irreversibla reaktioner som involverar dessa polysulfider kan inträffa vid elektroden som resulterar i förlust av dess förmåga att lagra laddning. Försök att skydda metallen från polysulfiderna har endast varit delvis framgångsrika.
Forskare vid Joint Center for Energy Storage Research har fokuserat på att justera elektrolytsammansättningen för att kontrollera hur polysulfider löses upp, flytta, och interagera. Nyligen, med kombinerade teoretiska och experimentella studier, forskarna upptäckte att lösligheten av polysulfider (Li 2 S x , x=2-8) beror på sulfidjonens kedjelängd. Kortare polysulfider bildar stora kluster, med upp till femton joner i varje kluster, vilket begränsar deras löslighet. Längre polysulfider (med mer än fyra svavelatomer) visar högre löslighet, men långsam transport i det rena lösningsmedlet. Förvånande, tillsatsen av ett litiumsalt för att bilda en elektrolytlösning ökade lösligheten av de kortkedjiga polysulfiderna genom att tillhandahålla gynnsamma interaktioner mellan saltet och polysulfiderna.
Forskarna beräknade och mätte också experimentellt diffusionshastigheterna för litiumjonen och andra arter i elektrolyterna vid olika salt/lösningsmedelsförhållanden. Höga saltkoncentrationer kan gynnsamt styra hur polysulfider löses upp, men resulterade i minskad rörlighet för joniska arter och otillräcklig jonledningsförmåga. Att förstå strukturen och dynamiken hos litium-svavelelektrolyter ger en möjlighet att finjustera elektrolytens sammansättning. Med dessa insikter, framtida elektrolyter skulle kunna utformas för att ge effektiv transport av joner mellan elektroderna, samtidigt som det undertrycker upplösningen och migrationen av polysulfidarter.
