Litium-svavelbatterier har varit ett hett ämne inom batteriforskning på grund av deras förmåga att producera upp till 10 gånger mer energi än konventionella batterier, vilket innebär att de lovar mycket för applikationer i energikrävande elfordon.

Dock, det har funnits grundläggande vägspärrar för att kommersialisera dessa svavelbatterier. Ett av huvudproblemen är tendensen för litium- och svavelreaktionsprodukter, kallas litiumpolysulfider, att lösas upp i batteriets elektrolyt och permanent förflytta sig till den motsatta elektroden. Detta gör att batteriets kapacitet minskar under dess livstid.

Forskare vid Bourns College of Engineering vid University of California, Riverside har undersökt en strategi för att förhindra detta "polysulfid-shuttling"-fenomen genom att skapa svavelpartiklar i nanostorlek, och belägga dem med kiseldioxid (SiO2), annars känd som glas.

Arbetet beskrivs i ett papper, "SiO2 - Belagda svavelpartiklar som katodmaterial för litium -svavelbatterier, " precis publicerad online i tidskriften Nanoskala . Dessutom, forskarna har bjudits in att skicka in sina arbeten för publicering i det specialtemanummer av grafenbaserade energienheter i RSC Nanoscale.

Ph.D. studenter i Cengiz Ozkans och Mihri Ozkans forskargrupper har arbetat med att designa ett katodmaterial där kiselburar "fångar" polysulfider med ett mycket tunt skal av kiseldioxid, och partiklarnas polysulfidprodukter står nu inför en fångstbarriär - en glasbur. Teamet använde en organisk prekursor för att konstruera fångstbarriären.

"Vår största utmaning var att optimera processen för att avsätta SiO2 - inte för tjock, inte för tunn, om tjockleken på ett virus", sa Mihri Ozkan.

Forskarstuderande Brennan Campbell, Jeffrey Bell, Hamed Hosseini Bay, Zachary gynnar, och Robert Ionescu fann att kiseldioxidburar svavelpartiklar gav en avsevärt högre batteriprestanda, men ansåg att ytterligare förbättringar var nödvändiga på grund av utmaningen med brytningen av SiO2-skalet.

"Vi har beslutat att införliva milt reducerad grafenoxid (mrGO), en nära släkting till grafen, som en ledande tillsats i katodmaterialdesign, för att ge mekanisk stabilitet till glasburstrukturerna", sa Cengiz Ozkan.

Den nya generationens katod gav en ännu mer dramatisk förbättring än den första designen, eftersom teamet konstruerade både en polysulfidfångande barriär och en flexibel grafenoxidfilt som utnyttjar svavlet och kiseldioxiden tillsammans under cykling.

"Utformningen av kärnskalstrukturen bygger i huvudsak på funktionen av polysulfidytadsorption från kiseldioxidskalet, även om skalet går sönder", sa Brennan Campbell. "Införlivandet av mrGO tjänar systemet väl när det gäller att hålla polysulfidfällorna på plats. Svavel liknar syre i sin reaktivitet och energi men kommer fortfarande med fysiska utmaningar, och vår nya katoddesign tillåter svavel att expandera och dra ihop sig, och bli utnyttjad."