Syntessteg för en grafen-svavelkomposit, som kan användas som katodmaterial för uppladdningsbara litium-svavelbatterier med hög energitäthet. Bildupphovsrätt:Hailang Wang, et al. ©2011 American Chemical Society
(PhysOrg.com) -- Genom att linda in små svavelpartiklar i grafenark, forskare från Stanford University har syntetiserat ett lovande katodmaterial för uppladdningsbara litium-svavelbatterier som skulle kunna användas för att driva elfordon i stor skala. När de kombineras med kiselbaserade anoder, de nya grafen-svavelkatoderna skulle kunna leda till uppladdningsbara batterier med en betydligt högre energitäthet än vad som är möjligt för närvarande.
Forskarna, ledd av Yi Cui och Hongjie Dai från Stanford University, har publicerat sin studie i ett färskt nummer av Nanobokstäver .
Som forskarna förklarar i sin studie, för att driva elfordon som är konkurrenskraftiga med bensindrivna fordon, en av de största utmaningarna är att förbättra energi- och effekttätheten hos laddningsbara litiumbatterier. Batteriernas svaga punkt är för närvarande katodmaterialen, som har specifika kapaciteter som är mycket lägre än anodmaterialens. (Den specifika kapaciteten för katodmaterial är cirka 150 mAh/g för lageroxider och 170 mAh/g för LiFe-PO4, medan de för anodmaterial är 370 mAh/g för grafit och 4200 mAh/g för kisel.)
För att förbättra katoden, forskarna vände sig till svavel, som har en teoretisk specifik kapacitet på 1672 mAh/g, cirka fem gånger högre än för traditionella katodmaterial. Även om svavel har andra fördelar, som låg kostnad och en godartad miljöpåverkan, det har också vissa nackdelar. Till exempel, svavel är en dålig ledare, det expanderar under urladdning, och polysulfiderna löses i elektrolyt. Tillsammans, dessa problem orsakar en låg cykellivslängd, låg specifik kapacitet, och låg energieffektivitet.
Tidigare forskning har visat att tillsats av kol till svavel kan öka svavlets elektriska ledningsförmåga. Men även om olika kol-svavelkompositer har uppnått specifika kapaciteter på mer än 1000 mAh/g, deras cykellivslängd är fortfarande låg; det är fortfarande en utmaning att behålla dessa höga kapaciteter i mer än 100 cykler.
"Vi utvecklade en strategi för grafenomslag för att övervinna många problem relaterade till att använda svavel som litiumjonbatterikatoder, ” berättade Cui PhysOrg.com . "Vi har visat utmärkta cykelprestationer."
För att uppnå denna höga prestanda, Stanford-forskarna gjorde vissa justeringar av svavlet. Först, de belade submikrometer svavelpartiklar med poly(etylenglykol) (PEG) för att fånga polysulfiderna och förhindra att de löses upp. Den flexibla PEG-beläggningen förbättrar också cykellivslängden genom att ta emot svavelpartiklarnas volymexpansion under utsläppsdelen av varje cykel. Nästa, forskarna lindade in de belagda svavelpartiklarna med grafenark dekorerade med kimrök nanopartiklar, vilket förbättrar svavelkatodens konduktivitet. Det löst packade grafenskiktet fångar också ytterligare polysulfider och rymmer volymexpansionen av svavlet.
"Detta är en mycket rationell materialdesign för att övervinna problemen med polysulfidupplösning, sa Hailiang Wang, huvudförfattare till tidningen.
Cykelprestandan hos den PEG-belagda grafen-svavelkompositen visar att den kan bibehålla en specifik kapacitet på nära 600 mAh/g i mer än 100 cykler. Bildupphovsrätt:Hailang Wang, et al. ©2011 American Chemical Society
Forskarna visade att den resulterande grafen-svavelkatoden kan uppnå hög specifik kapacitet på 500-600 mAh/g under mer än 100 cykler. Det nya katodmaterialet skulle kunna användas för att tillverka laddningsbara batterier med en högre energitäthet än andra laddningsbara batterier idag.
"Kapacitetsavklingningen är bara cirka 10-15% under 100 cykler, vilket är väldigt spännande, sade medförfattaren Yuan Yang, som gjort elektroder och celler i projektet.
Dock, innan sådana batterier kan tillverkas, forskarna måste ta upp den stora prestandavariationen hos litium-svavelbatterierna som de testade i denna studie. Till exempel, ca 30-50% av batterierna hade 20-25% sönderfall under 100 cykler. I framtiden, forskarna hoppas kunna fortsätta att förbättra svavelskyddet för att möjliggöra förlustfri cykling.
"Sammantaget, de största utmaningarna för laddningsbara batterier för elfordon är att öka energitätheten och sänka kostnaderna, sa Cui. "Att använda högenergi- och lågkostnadsmaterial som svavel är mycket attraktivt."
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.
