När kan vi räkna med att köra Tysklands längd i en elbil utan att behöva ladda batteri? Kemister vid NIM-klustret vid LMU och vid University of Waterloo i Ontario, Kanada, har nu syntetiserat ett nytt material som kan visa vägen framåt för toppmoderna litium-svavelbatterier.
Huruvida framtiden för biltrafiken tillhör den mjukt spinnande elbilen eller inte beror till stor del på utvecklingen av dess batterier. Industrin sätter för närvarande de flesta av sina förhoppningar på litium-svavelbatterier, som har mycket hög lagringskapacitet. Dessutom, tack vare inkluderingen av svavelatomer, de är billigare att göra och mindre giftiga än konventionella litiumjonkraftpaket.
Dock, litium-svavelbatteriet har fortfarande flera stora utmaningar som måste lösas tills det kan integreras i bilar. Till exempel, både hastigheten och antalet möjliga laddningsurladdningscykler måste ökas innan litium-svavelbatteriet kan bli ett realistiskt alternativ till litiumjonbatterier.
Mycket porer för svavel
Kemisterna professor Thomas Bein (LMU), Koordinator för Energy Conversion Division av Nanosystems Initiative München, Professor Linda Nazar (University of Waterloo, Waterloo Institute of Nanotechology) och deras kollegor har nu lyckats producera en ny typ av nanofiber, vars högordnade och porösa struktur ger den ett utomordentligt högt förhållande mellan yta och volym. Således, ett prov av det nya materialet i storlek på en sockerbit har en yta som motsvarar mer än sju tennisbanor.
"Det höga förhållandet mellan yta och volym, och hög porvolym är viktig eftersom det tillåter svavel att binda till elektroden på ett finfördelat sätt, med relativt hög belastning. Tillsammans med sin lättillgänglighet, detta förbättrar effektiviteten hos de elektrokemiska processer som sker under loppet av laddnings-urladdningscykler. Och hastigheten för nyckelreaktionerna vid svavelelektrod-elektrolytgränssnittet, som involverar både elektroner och joner, är mycket beroende av den totala tillgängliga ytan, " som Benjamin Mandlmeier, en postdoc vid Bein's Institute och en första medförfattare på den nya studien, förklarar.
Det hemliga receptet
Ett nytt recept och ett smart utformat syntessätt är nyckelfaktorerna som bestämmer egenskaperna hos de nya materialen. För att syntetisera kolfibrerna, kemisterna förbereder först en porös, tubformad kiseldioxidmall, från kommersiellt tillgängliga, men icke-porösa fibrer. Denna mall fylls sedan med en speciell blandning av kol, kiseldioxid och ytaktiva ämnen, som sedan värms till 900°C. Slutligen avlägsnas mallen och SiO2 genom en etsningsprocess. Under proceduren, kolnanorören – och därmed porstorleken – krymper i mindre utsträckning än de skulle göra i frånvaro av den begränsande mallen, och själva fibrerna är på motsvarande sätt mer stabila.
"Nanostrukturerade material har stor potential för effektiv omvandling och lagring av elektrisk energi, " säger Thomas Bein. "Vi i NIM-klustret kommer att fortsätta att ha ett nära samarbete med våra kollegor i det bayerska SolTech-nätverket för att utforska och utnyttja egenskaperna hos sådana strukturer och deras praktiska tillämpningar."
