Från smartphones till e-cyklar, antalet mobila elektroniska enheter växer stadigt runt om i världen. Som ett resultat, det finns ett ökat behov av batterier som är små och lätta, ändå kraftfull. Eftersom potentialen för ytterligare förbättring av litiumjonbatterier nästan är uttömd, experter vänder sig nu till en ny och lovande kraftlagringsenhet:litium-svavelbatterier.
Som ett viktigt steg mot vidareutvecklingen av denna typ av batteri, ett team ledd av professor Thomas Bein från LMU München och Linda Nazar från Waterloo University i Kanada har utvecklat porösa kolnanopartiklar som använder svavelmolekyler för att uppnå största möjliga effektivitet.
I prototyper av litium-svavelbatteriet, litiumjoner utbyts mellan litium- och svavel-kolelektroder. Svavlet spelar en speciell roll i detta system:Under optimala omständigheter, den kan absorbera två litiumjoner per svavelatom. Det är därför ett utmärkt energilagringsmaterial tack vare sin låga vikt. På samma gång, svavel är en dålig ledare, vilket innebär att elektroner endast kan transporteras med stor svårighet under laddning och urladdning. För att förbättra detta batteris design strävar forskarna vid Nanosystems Initiative Munich (NIM) efter att generera svavelfaser med största möjliga gränsyta för elektronöverföring genom att koppla dem med ett nanostrukturerat ledande material.
För detta ändamål, Thomas Bein och hans team på NIM utvecklade först ett nätverk av porösa kolnanopartiklar. Nanopartiklarna har 3 till 6 nanometer breda porer, så att svavlet kan fördelas jämnt. På det här sättet, nästan alla svavelatomer är tillgängliga för att acceptera litiumjoner. Samtidigt är de också placerade nära det ledande kolet.
"Svavet är mycket tillgängligt elektriskt i dessa nya och mycket porösa kolnanopartiklar och är stabiliserat så att vi kan uppnå en hög initial kapacitet på 1200 mAh/g och god cykelstabilitet, " förklarar Thomas Bein. "Våra resultat understryker betydelsen av nanomorfologi för prestandan hos nya energilagringskoncept."
Kolstrukturen minskar också det så kallade polysulfidproblemet. Polysulfider bildas som mellanprodukter av de elektrokemiska processerna och kan ha en negativ inverkan på laddning och urladdning av batteriet. Kolnätverket binder polysulfiderna, dock, tills deras omvandling till den önskade dilitiumsulfiden uppnås. Forskarna kunde också belägga kolmaterialet med ett tunt lager av kiseloxid som skyddar mot polysulfider utan att minska konduktiviteten.
Tillfälligtvis, forskarna har också satt rekord med sitt nya material:Enligt de senaste uppgifterna, deras material har den största inre porvolymen (2,32 cm3/g) av alla mesoporösa kolnanopartiklar, och en extremt stor yta på 2445 m2/g. Detta motsvarar ungefär ett föremål med volymen av en sockerbit och ytan av tio tennisbanor. Stora ytor som denna kan snart döljas inuti våra batterier.
