(Phys.org)—Världen av uppladdningsbara batterier är full av kompromisser. Medan litiumjonbatterier (Li-ion) för närvarande är de mest kommersiellt framgångsrika, deras låga energitäthet tillåter inte en lång körräckvidd. De är också väldigt dyra, ofta står för halva priset på elfordon. Ett alternativ är litium-svavel (Li-S) batterier, som är attraktiva för sin höga gravimetriska energitäthet som gör att de kan lagra mer energi än Li-ion-batterier. Och även om de fortfarande använder lite litium, svavelkomponenten gör att de är mycket billigare än litiumjonbatterier. Men en av de största nackdelarna med Li-S-batterier är deras korta livslängd, vilket gör att de tappar mycket av sin kapacitet varje gång de laddas om.

Nu är ett team av forskare ledda av Yi Cui, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, har utvecklat ett Li-S-batteri som kan behålla mer än 80 % av sin kapacitet på 1180 mAh/g under 300 cykler, med potential för liknande kapacitetsbevarande över tusentals cykler. I kontrast, de flesta Li-S-batterier förlorar mycket av sin kapacitet efter några tiotals cykler.

För att uppnå denna förbättring, forskarna identifierade först en ny mekanism som orsakar kapacitetsminskning i Li-S-batterier efter cykling. För att ett Li-S-batteri ska kunna laddas upp, litiumsulfiden i katoden måste vara bunden till katodytan - i detta fall, den inre ytan av den ihåliga nanofibern av kol som kapslar in den. Denna bindning skapar en bra elektrisk kontakt för att möjliggöra laddningsflöde. Men forskarna fann att under utskrivningsprocessen, litiumsulfiden lossnar från kolet, vilket resulterar i en förlust av elektrisk kontakt som förhindrar att batteriet laddas upp helt.

Före nu, det har varit mycket utmanande att studera svavelkatoden på nanoskala på grund av svavelföreningens känslighet för luft och fukt, samt dess tendens att sublimera under ett vakuum. Men anodens ihåliga nanofiberstruktur - som forskarna utvecklade i en tidigare studie - skyddar svavlet, vilket gjorde det möjligt för forskarna att se katoden med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop (TEM) utan att skada provet avsevärt.

Efter att ha identifierat problemet, forskarna började fixa det genom att lägga till polymerer på kolnanofiberytan för att modifiera gränssnittet mellan kol och svavel. Polymererna är amfifila, vilket betyder att de är både hydrofila (vattenälskande) och lipofila (fettälskande), liknar tvål. Denna egenskap ger polymererna förankringspunkter som gör att litiumsulfiderna binder starkt till kolytan för att bibehålla starka elektriska kontakter.

Som experiment visade, svavelkatoder som innehöll de amfifila polymererna hade mycket stabil prestanda, med mindre än 3 % kapacitetsminskning under de första 100 cyklerna, och mindre än 20 % avklingning under mer än 300 cykler.

Även om förbättringen är ett stort steg framåt, kapacitetsretentionen kan fortfarande inte jämföras med Li-ion-batterier, av vilka en del har en livslängd som närmar sig 10, 000 cykler. För att undvika att behöva byta batteri med några års mellanrum, Elfordon kräver dessa längre livslängder. Men Cui säger att Li-S-batterier har potential att täppa till detta gap inom överskådlig framtid.

"Med hjälp av den amfifila polymeridén här i denna artikel, tillsammans med nanoskala materialdesign och syntes, det är möjligt att förbättra cykellivslängden upp till 10, 000 cykler, " berättade Cui Phys.org . "Min grupp arbetar med detta. Våra senaste resultat om design av nanomaterial har redan förbättrats till 1000 cykler."

I framtiden, Cui tror att Li-S-batterier kommer att ge Li-ion-batterier en seriös konkurrens.

"Li-S-batterierna blir ganska lovande för elfordon, " sade han. "Livscykeln måste förbättras ytterligare. Litiummetallanodernas säkerhetsproblem måste lösas. Det är möjligt att komma runt Li-metallanoder med Si-anoder."

Copyright 2013 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.