Professor Jong-Sung Yus forskargrupp vid institutionen för energivetenskap och teknik vid DGIST utvecklade en teknologi för ett poröst kiseldioxidmellanskikt genom att ladda svavel, ett aktivt material, i kiseldioxid. Detta nya tillvägagångssätt förväntas vara avgörande för FoU och kommersialisering av nästa generations litium-svavelbatterier, där energitäthet och stabilitet är avgörande.

Med den senaste tidens ökade efterfrågan på energilagringsenheter med stor kapacitet har forskning på högenergi, lågkostnad, nästa generations sekundära batterier som kan ersätta litiumjonbatterier aktivt bedrivits. Litium-svavelbatterier, som använder svavel som katodmaterial, har en energitäthet flera gånger högre än den för konventionella litiumjonbatterier, som använder dyra sällsynta jordartsmetaller som katodmaterial. Därför förväntas det att det svavelbaserade batteriet kommer att vara mer lämpligt för högenergiapparater som elfordon och drönare. Dessutom är forskning om litium-svavelbatterier utbredd eftersom svavel är billigt, rikligt och ogiftigt.

Å andra sidan, svavel, ett aktivt element som producerar elektrisk energi, har låg ledningsförmåga, och polysulfid som genereras under laddning och urladdning av batteriet diffunderar mot batteriets negativa elektrod, vilket resulterar i förlust av svavel genom dess reaktion med litium. Följaktligen försämras batteriets kapacitet och livslängd avsevärt. Detta problem har åtgärdats genom att infoga ett nytt lager mellan svavelelektroden och separatorn (mitten) som kan absorbera polysulfid och blockera diffusion.

Konduktivt kol, som för närvarande används som en mellanskiktsteknik för att förbättra kapaciteten och livslängden hos litium-svavelbatterier, ger svavelelektroden ledningsförmåga. Emellertid kan diffusion av svavel inte förhindras eftersom dess affinitet med den polära litiumpolysulfiden är låg. Å andra sidan, om en polär oxid används som ett mellanskiktsmaterial, undertrycks svavelförlusten på grund av dess starka interaktion med litiumpolysulfid. Utnyttjandet av svavel är dock lägre på grund av dess låga ledningsförmåga. Dessutom är de olika mellanskiktsmaterial som studerats tidigare inte idealiska eftersom de inte kan uppnå den energitäthet och cykellivslängd som krävs för kommersialisering på grund av deras tjocklek och låga redoxaktivitet.

För att ta itu med dessa nackdelar implementerade forskargruppen först ett nytt redoxaktivt poröst kiseldioxid/svavelmellanskikt genom att tillsätta svavel i kiseldioxiden efter att ha syntetiserat den plattformade porösa kiseldioxiden. De förutspådde att kapaciteten och livstidseffektiviteten för litium-svavelbatterierna skulle maximeras på grund av den svavelinducerade ökningen av kapaciteten per cellarea, eftersom ytterligare svavel laddades i det mellanliggande lagret, vilket också skulle kunna fungera som en effektiv litiumpolysulfid adsorptionsplats.

För att undersöka denna teori applicerades kiseldioxid/svavelmellanskiktet på ett litium-svavelbatteri, som sedan laddades och laddades ur 700 gånger. Som ett resultat uppnådde det porösa kiseldioxid/svavelmellanskiktet en mycket högre långtidsstabilitet än det konventionella porösa kol/svavelmellanskiktet efter 700 laddnings/urladdningscykler. I synnerhet uppvisade batteriet hög kapacitet och hållbara, långvariga egenskaper, även vid en hög svavelhalt på 10 mg/cm ² och en låg koncentration av elektrolyt:svavel (E/S) på 4. Därför är den nästan redo för praktisk användning.

Professor Jong-Sung Yu sa:"Vår studie är den första som finner att svavel kan laddas in i porerna i ett poröst kiseldioxidmaterial för att fungera som ett mellanskiktsmaterial för litium-svavelbatterier, vilket förbättrar deras kapacitet och livslängd." Han tillade, "Detta resultat är en ny milstolpe i utvecklingen av nästa generations högenergi-, långlivade litium-svavelbatterier."

Denna studie genomfördes i samarbete med Dr. Amine Khalils team vid Argonne National Laboratory (ANL). Dr Byung-Jun Lee, som tog sin doktorsexamen. under ledning av professor Jong-Sung Yu vid institutionen för energi och vetenskap och teknik vid DGIST, var den första författaren. Denna studie publicerades online den 8 augusti i Nature Communications . + Utforska vidare

Nästa generations litium-svavelbatteri löser svavelförlustproblemet