I slutet av juli 2008 satte ett brittiskt solplan ett inofficiellt flyg-uthållighetsrekord genom att förbli uppe i mer än tre dagar i sträck. Litium-svavelbatterier dök upp som ett av de stora tekniska framstegen som möjliggjorde flygningen - att driva planet över natten med effektivitet oöverträffad av dagens toppbatterier. Tio år senare, världen väntar fortfarande på den kommersiella ankomsten av "Li-S"-batterier. Men ett genombrott av forskare vid Drexel University har just tagit bort en betydande barriär som har blockerat deras livskraft.

Teknikföretag har sedan en tid tillbaka vetat att utvecklingen av deras produkter, oavsett om de är bärbara datorer, mobiltelefoner eller elbilar, beror på den stadiga förbättringen av batterierna. Tekniken är bara "mobil" så länge som batteriet tillåter det, och litiumjonbatterier – som anses vara de bästa på marknaden – har nått sin gräns för förbättring.

Med batteriprestanda närmar sig en platå, företag försöker klämma in varenda volt i, och ut ur, lagringsenheterna genom att minska storleken på några av de interna komponenterna som inte bidrar till energilagring. Några olyckliga bieffekter av dessa strukturella förändringar är de funktionsfel och härdsmältningar som inträffade i ett antal Samsung-surfplattor under 2016.

Forskare och teknikindustrin tittar på Li-S-batterier för att så småningom ersätta Li-ion eftersom denna nya kemi teoretiskt tillåter mer energi att packas i ett enda batteri - ett mått som kallas "energidensitet" i batteriforskning och -utveckling. Denna förbättrade kapacitet, i storleksordningen 5-10 gånger högre än för Li-ion-batterier, motsvarar en längre drifttid för batterier mellan laddningarna.

Problemet är, Li-S-batterier har inte kunnat behålla sin överlägsna kapacitet efter de första laddningarna. Det visar sig att svavlet, som är nyckelingrediensen för förbättrad energitäthet, migrerar bort från elektroden i form av mellanprodukter som kallas polysulfider, leder till förlust av denna nyckelingrediens och prestanda bleknar under omladdningar.

I flera år har forskare försökt stabilisera reaktionen inuti Li-S-batteriet för att fysiskt innehålla dessa polysulfider, men de flesta försök har skapat andra komplikationer, som att lägga till vikt eller dyra material till batteriet eller lägga till flera komplicerade bearbetningssteg.

Men ett nytt tillvägagångssätt, rapporterat av forskare vid Drexel's College of Engineering i en ny upplaga av tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt , med titeln "TiO Phase Stabilized into Free-Standing Nanofibers as Strong Polysulfide Immobilizer in Li-S Batteries:Evidence for Lewis Acid-Base Interactions, " visar att det kan hålla polysulfider på plats, bibehålla batteriets imponerande uthållighet, samtidigt som den totala vikten och tiden som krävs för att producera dem minskar.

"Vi har skapat fristående porös titanmonoxid nanofibermatta som ett katodvärdmaterial i litium-svavelbatterier, sa Vibha Kalra, Ph.D., en biträdande professor vid College of Engineering och huvudförfattare till forskningen. "Detta är en betydande utveckling eftersom vi har funnit att vår titanmonoxid-svavelkatod är både mycket ledande och kan binda polysulfider via starka kemiska interaktioner, vilket innebär att den kan öka batteriets specifika kapacitet samtidigt som den behåller dess imponerande prestanda genom hundratals cykler. Vi kan också demonstrera fullständig eliminering av bindemedel och strömavtagare på katodsidan som står för 30-50 procent av elektrodvikten - och vår metod tar bara några sekunder att skapa svavelkatoden, när den nuvarande standarden kan ta nästan en halv dag."

Deras resultat tyder på att nanofibermattan, som på mikroskopisk nivå liknar ett fågelbo, är en utmärkt plattform för svavelkatoden eftersom den attraherar och fångar de polysulfider som uppstår när batteriet används. Att hålla polysulfiderna i katodstrukturen förhindrar "shuttling, " ett prestandanedsättande fenomen som uppstår när de löses upp i elektrolytlösningen som separerar katod från anod i ett batteri. Denna katoddesign kan inte bara hjälpa Li-S-batteriet att behålla sin energitäthet, men också göra det utan ytterligare material som ökar vikten och produktionskostnaderna, enligt Kalra.

För att uppnå dessa dubbla mål, gruppen har noggrant studerat reaktionsmekanismerna och bildandet av polysulfider för att bättre förstå hur ett elektrodvärdmaterial kan hjälpa till att innehålla dem.

"Denna forskning visar att närvaron av en stark Lewis-syra-bas-interaktion mellan titanmonoxid och svavel i katoden förhindrar polysulfider från att ta sig in i elektrolyten, vilket är den primära orsaken till batteriets försämrade prestanda, " sa Arvinder Singh, Ph.D., en postdoktor i Kalras labb som var författare till uppsatsen.

Detta innebär att deras katoddesign kan hjälpa ett Li-S-batteri att behålla sin energitäthet – och göra det utan ytterligare material som ökar vikten och produktionskostnaderna, enligt Kalra.

Kalras tidigare arbete med nanofiberelektroder har visat att de ger en mängd fördelar jämfört med nuvarande batterikomponenter. De har en större yta än nuvarande elektroder, vilket innebär att de kan ta emot expansion under laddning, vilket kan öka batteriets lagringskapacitet. Genom att fylla dem med en elektrolytgel, de kan eliminera brandfarliga komponenter från enheter vilket minimerar deras känslighet för läckor, bränder och explosioner. De skapas genom en elektrospinningsprocess, som ser ut som att göra sockervadd, detta betyder att de har en fördel gentemot de vanliga pulverbaserade elektroderna som kräver användning av isolerande och prestandaförsämrande "bindemedelskemikalier" i sin produktion.

Parallellt med sitt arbete med att producera bindemedelsfritt, fristående katodplattformar för att förbättra batteriernas prestanda, Kalras labb utvecklade en teknik för snabb svavelavsättning som tar bara fem sekunder för att få svavlet i sitt substrat. Proceduren smälter svavel i nanofibermattorna i ett lätt trycksatt, 140 grader Celsius miljö – eliminerar behovet av tidskrävande bearbetning som använder en blandning av giftiga kemikalier, samtidigt som katodens förmåga att hålla en laddning förbättras efter lång tids användning.

"Våra Li-S-elektroder ger rätt arkitektur och kemi för att minimera kapacitetsblekning under battericykling, ett avgörande hinder för kommersialisering av Li-S-batterier, ", sa Kalra. "Vår forskning visar att dessa elektroder uppvisar en ihållande effektiv kapacitet som är fyra gånger högre än de nuvarande Li-ion-batterierna. Och vår roman, low-cost method for sulfurizing the cathode in just seconds removes a significant impediment for manufacturing."

Since Zephyr-6's record-setting flight in 2008, many companies have invested in the development of Li-S batteries in hopes of increasing the range of electric cars, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.