Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har i laboratoriet demonstrerat ett litium-svavelbatteri (Li/S) som har mer än dubbelt så mycket energi som litiumjonbatterier. och som varar i mer än 1, 500 cykler av laddning-urladdning med minimal minskning av batteriets kapacitet. Detta är den längsta livslängden som hittills rapporterats för något litium-svavelbatteri.

Efterfrågan på högpresterande batterier för el- och hybridelfordon som kan matcha förbränningsmotorns räckvidd och effekt uppmuntrar forskare att utveckla nya batterikemi som skulle kunna leverera mer kraft och energi än litiumjonbatterier, för närvarande den bäst presterande batterikemin på marknaden.

För att elfordon ska ha en räckvidd på 300 mil, batteriet bör ge en specifik energi på cellnivå på 350 till 400 wattimmar/kilogram (Wh/kg). Detta skulle kräva nästan dubbelt så mycket energi (cirka 200 Wh/kg) för nuvarande litiumjonbatterier. Batterierna skulle också behöva ha minst 1, 000, och helst 1, 500 laddnings-urladdningscykler utan att visa en märkbar effekt- eller energilagringskapacitetsförlust.

"Våra celler kan ge en betydande möjlighet för utvecklingen av nollutsläppsfordon med en körräckvidd som liknar den för bensinfordon." säger Elton Cairns, av Environmental Energy Technologies Division (EETD).

Resultaten rapporterades i tidskriften Nanobokstäver .

Fördelarna med litiumsvavel, och utmaningar

"Litium-svavelbatteriets kemi har väckt uppmärksamhet eftersom den har en mycket högre teoretisk specifik energi än litiumjonbatterier, " säger Cairns. "Litium-svavelbatterier skulle också vara önskvärt eftersom svavel är ogiftigt, säkert och billigt, " tillägger han. Li/S-batterier skulle vara billigare än nuvarande Li-ion-batterier, och de skulle vara mindre benägna att få säkerhetsproblem som har plågat Li-ion-batterier, som överhettning och eldning.

Utvecklingen av litium-svavelbatteriet har också sina utmaningar. Under urladdning tenderar litiumpolysulfider att lösas upp från katoden i elektrolyterna och reagera med litiumanoden och bildar ett barriärskikt av Li2S. Denna kemiska nedbrytning är en anledning till att cellkapaciteten börjar blekna efter bara några cykler.

Ett annat problem med Li/S-batterier är att omvandlingsreaktionen från svavel till Li2S och tillbaka får svavelelektrodens volym att svälla och dra ihop sig med upp till 76 procent under celldrift, vilket leder till mekanisk nedbrytning av elektroderna. När svavelelektroden expanderar och krymper under cykling, svavelpartiklarna kan isoleras elektriskt från elektrodens strömavtagare.

Holistisk celldesign adresserar kemisk och mekanisk nedbrytning

Prototypcellen designad av forskargruppen använder flera elektrokemiska teknologier för att lösa denna mängd problem. Katoden består av svavel-grafenoxid (S-GO), ett material utvecklat av teamet som kan ta emot volymförändringen av det elektrodaktiva materialet när svavel omvandlas till Li2S vid urladdning, och tillbaka till elementärt svavel vid uppladdning.

För att ytterligare minska den mekaniska nedbrytningen från volymförändringen under drift, laget använde ett elastomeriskt bindemedel. Genom att kombinera elastomeriskt styrenbutadiengummi (SBR) bindemedel med ett förtjockningsmedel, battericellens livslängd och effekttäthet ökade avsevärt jämfört med batterier som använder konventionella bindemedel.

För att ta itu med problemet med polysulfidupplösning och den kemiska nedbrytningen applicerade forskargruppen en beläggning av cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB) tensid som också används i läkemedelsleveranssystem, färgämnen, och andra kemiska processer. CTAB-beläggning på svavelelektroden minskar elektrolytens förmåga att penetrera och lösa upp elektrodmaterialet.

Vidare, teamet utvecklade en ny jonisk vätskebaserad elektrolyt. Den nya elektrolyten hämmar polysulfiders upplösning och hjälper batteriet att fungera i hög hastighet, öka hastigheten med vilken batteriet kan laddas upp, och den kraft den kan leverera under urladdning. Den joniska vätskebaserade elektrolyten förbättrar också avsevärt säkerheten för Li-S-batteriet, eftersom joniska vätskor är icke-flyktiga och icke brandfarliga.

Batteriet visade initialt en uppskattad cellspecifik energi på mer än 500 Wh/kg och det bibehöll den vid> 300 Wh/kg efter 1, 000 cykler - mycket högre än för närvarande tillgängliga litiumjonceller, som för närvarande i genomsnitt ligger på cirka 200 Wh/kg.

"Det är den unika kombinationen av dessa element i cellkemin och designen som har lett till en litium-svavelcell vars prestanda aldrig tidigare har uppnåtts i laboratoriet - lång livslängd, hög kapacitet, och specifik energi på hög cellnivå, säger Cairns.

Teamet söker nu stöd för den fortsatta utvecklingen av Li/S-cellen, inklusive högre svavelanvändning, drift under extrema förhållanden, och skala upp. Partnerskap med industrin eftersträvas.

Nästa steg i utvecklingen är att ytterligare öka cellenergitätheten, förbättra cellprestanda under extrema förhållanden, och skala upp till större celler.