Elfordon skulle kunna resa längre och mer förnybar energi skulle kunna lagras med litium-svavelbatterier som använder ett unikt pulverformigt nanomaterial.

Forskare lade till pulvret, ett slags nanomaterial som kallas en metallorganisk ram, till batteriets katod för att fånga upp problematiska polysulfider som vanligtvis gör att litium-svavelbatterier går sönder efter några laddningar. En artikel som beskrev materialet och dess prestanda publicerades online den 4 april i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

"Litium-svavelbatterier har potential att driva morgondagens elfordon, men de måste hålla längre efter varje laddning och kunna laddas om flera gånger, " sa materialkemist Jie Xiao vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory. "Vårt organiska metallramverk kan erbjuda ett nytt sätt att få det att hända."

Dagens elfordon drivs vanligtvis av litiumjonbatterier. Men kemin hos litiumjonbatterier begränsar hur mycket energi de kan lagra. Som ett resultat, Elfordonsförare är ofta oroliga över hur långt de kan gå innan de behöver ladda. En lovande lösning är litium-svavelbatteriet, som kan hålla så mycket som fyra gånger mer energi per massa än litiumjonbatterier. Detta skulle göra det möjligt för elfordon att köra längre på en enda laddning, samt hjälpa till att lagra mer förnybar energi. Baksidan av litium-svavelbatterier, dock, är de har en mycket kortare livslängd eftersom de för närvarande inte kan laddas lika många gånger som litiumjonbatterier.

Energilagring 101

Orsaken kan hittas i hur batterier fungerar. De flesta batterier har två elektroder:en är positivt laddad och kallas en katod, medan den andra är negativ och kallas en anod. Elektricitet genereras när elektroner strömmar genom en tråd som förbinder de två. För att kontrollera elektronerna, positivt laddade atomer blandas från en elektrod till den andra genom en annan väg:elektrolytlösningen som elektroderna sitter i.

Litium-svavelbatteriets främsta hinder är oönskade sidoreaktioner som förkortar batteriets livslängd. Den oönskade verkan börjar på batteriets svavelhaltiga katod, som långsamt sönderfaller och bildar molekyler som kallas polysulfider som löses upp i den flytande elektrolyten. En del av svavlet - en väsentlig del av batteriets kemiska reaktioner - återgår aldrig till katoden. Som ett resultat, katoden har mindre material för att hålla reaktionerna igång och batteriet dör snabbt.

Nya material för bättre batterier

Forskare över hela världen försöker förbättra materialen för varje batterikomponent för att öka livslängden och den vanliga användningen av litium-svavelbatterier. För denna forskning, Xiao och hennes kollegor finslipade katoden för att stoppa polysulfider från att röra sig genom elektrolyten.

Många material med små hål har undersökts för att fysiskt fånga polysulfider inuti katoden. Organiska metallstrukturer är porösa, men den extra styrkan hos PNNL:s material är dess förmåga att starkt attrahera polysulfidmolekylerna.

Ramverkets positivt laddade nickelcentrum binder tätt polysulfidmolekylerna till katoderna. Resultatet är en koordinat kovalent bindning som, i kombination med ramverkets porösa struktur, gör att polysulfiderna stannar kvar.

"MOF:s mycket porösa struktur är ett plus som ytterligare håller polysulfiden tätt och gör att den stannar inom katoden, " sa PNNL elektrokemist Jianming Zheng.

Nanomaterial är nyckeln

Organiska metallstrukturer – även kallade MOF – är kristallliknande föreningar gjorda av metallkluster kopplade till organiska molekyler, eller länkar. Tillsammans, klustren och länkarna sätts samman till porösa 3D-strukturer. MOF kan innehålla ett antal olika element. PNNL-forskare valde övergångsmetallen nickel som det centrala elementet för denna speciella MOF på grund av dess starka förmåga att interagera med svavel.

Under labbtester, ett litium-svavelbatteri med PNNL:s MOF-katod bibehöll 89 procent av sin ursprungliga effektkapacitet efter 100 laddnings- och urladdningscykler. Efter att ha visat effektiviteten hos deras MOF-katod, PNNL-forskare planerar nu att ytterligare förbättra katodens blandning av material så att den kan hålla mer energi. Teamet behöver också utveckla en större prototyp och testa den under längre perioder för att utvärdera katodens prestanda för verkligheten, storskaliga tillämpningar.

PNNL använder också MOF i energieffektiva adsorptionskylare och för att utveckla nya katalysatorer för att påskynda kemiska reaktioner.

"MOFs are probably best known for capturing gases such as carbon dioxide, " Xiao said. "This study opens up lithium-sulfur batteries as a new and promising field for the nanomaterial."

This research was funded by the Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Researchers analyzed chemical interactions on the MOF cathode with instruments at EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory at PNNL.

I januari, a Naturkommunikation paper by Xiao and some of her PNNL colleagues described another possible solution for lithium-sulfur batteries:developing a hybrid anode that uses a graphite shield to block polysulfides.