En illustration av Chalmers design för ett litiumsvavelbatteri. Den mycket porösa kvaliteten på grafenaerogelen tillåter tillräckligt hög blötläggning av svavel för att göra katolytkonceptet värt besväret. Upphovsman:Yen Strandqvist/Chalmers tekniska högskola
För att möta kraven från en elektrisk framtid, ny batteriteknik kommer att vara avgörande. Ett alternativ är litiumsvavelbatterier, som erbjuder en teoretisk energitäthet som är mer än fem gånger högre än litiumjonbatterier. Forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, avslöjade nyligen ett lovande genombrott för denna typ av batteri, använda en katolyt med hjälp av en grafensvamp.
Forskarnas nya idé är en porös, svampliknande aerogel gjord av reducerad grafenoxid som fungerar som en fristående elektrod i battericellen och möjliggör bättre och högre utnyttjande av svavel.
Ett traditionellt batteri består av fyra delar. Först, det finns två stödelektroder belagda med en aktiv substans, som är kända som en anod och en katod. Mellan dem finns en elektrolyt, vanligtvis en vätska, gör att joner kan överföras fram och tillbaka. Den fjärde komponenten är en separator, som fungerar som en fysisk barriär, förhindrar kontakt mellan de två elektroderna samtidigt som det tillåter överföring av joner.
Forskarna har tidigare experimenterat med att kombinera katoden och elektrolyten till en vätska, en så kallad 'katolyt'. Konceptet kan hjälpa till att spara vikt i batteriet, samt erbjuder snabbare laddning och bättre strömkapacitet. Nu, med utvecklingen av grafenaerogelen, konceptet har visat sig fungerande, ger mycket lovande resultat.
Med ett standard myntcellsbatterifodral, forskarna satte först in ett tunt lager av den porösa grafenaerogelen. "Du tar aerogelen, som är en lång tunn cylinder, och sedan skivar du det — nästan som en salami. Du tar den skivan, och komprimera den för att passa in i batteriet, säger Carmen Cavallo vid institutionen för fysik på Chalmers, och ledande forskare i studien. Sedan, en svavelrik lösning, katolyten, läggs till batteriet. Den mycket porösa aerogelen fungerar som stöd, suger upp lösningen som en svamp.
"Den porösa strukturen hos grafenaerogelen är nyckeln. Den suger upp en stor mängd av katolyten, ger dig tillräckligt hög svavelbelastning för att göra katolytkonceptet värt besväret. Denna typ av halvflytande katolyt är verkligen viktig här. Det gör att svavlet kan cirkulera fram och tillbaka utan några förluster. Det går inte förlorat genom upplösning – eftersom det redan är upplöst i katolytlösningen, säger Carmen Cavallo.
En del av katolytlösningen appliceras också på separatorn, för att den ska kunna fylla sin elektrolytroll. Detta maximerar också batteriets svavelhalt.
De flesta kommersiellt tillgängliga batterier är litiumjonbatterier. Men den här typen av batteri närmar sig sina gränser, och nya kemiska tillvägagångssätt blir viktiga för applikationer med högre effektkrav. Litiumsvavelbatterier erbjuder flera fördelar, inklusive mycket högre energitäthet. De bästa litiumjonbatterierna på marknaden för närvarande fungerar på cirka 300 wattimmar per kg, med ett teoretiskt maximum på cirka 350. Litiumsvavelbatterier under tiden, har en teoretisk energitäthet på cirka 1000-1500 wattimmar per kg.
"Vidare, svavel är billigt, mycket rikligt, och mycket mer miljövänligt. Litiumsvavelbatterier har också fördelen att de inte behöver innehålla något miljöfarligt fluor, som är vanligt förekommande i litiumjonbatterier, säger Aleksandar Matic, Professor vid Chalmers institution för fysik, som leder forskargruppen bakom uppsatsen.
"Aerogelen är en lång tunn tub. Du skär den, nästan som en salami. Du tar den skivan, och komprimera den, för att passa in i batteriet, säger Carmen Cavallo vid institutionen för fysik på Chalmers, och ledande forskare i studien. Kredit:Johan Bodell/Chalmers tekniska högskola
Problemet med litiumsvavelbatterier har hittills varit deras instabilitet, och därmed låg cykellivslängd. Nuvarande versioner degenererar snabbt och har en begränsad livslängd med ett opraktiskt lågt antal cykler. Men när jag testade deras nya prototyp, Chalmersforskarna visade en kapacitetsretention på 85 procent efter 350 cykler.
Den nya designen undviker de två huvudproblemen med nedbrytning av litiumsvavelbatterier – ett, att svavlet löses upp i elektrolyten och går förlorat, och två, en skytteleffekt, ' varvid svavelmolekyler migrerar från katoden till anoden. I denna design, dessa oönskade problem minskar drastiskt.
Artikeln, "En fristående aerogel med reducerad grafenoxid som stödelektrod i en fluorfri Li 2 S 8 katolyt Li-S batteri, " publiceras i Journal of Power Sources .
Forskarna konstaterar, dock, att det fortfarande är en lång resa kvar innan tekniken kan uppnå full marknadspotential. "Eftersom dessa batterier tillverkas på ett alternativt sätt från de flesta normala batterier, nya tillverkningsprocesser kommer att behöva utvecklas för att göra dem kommersiellt gångbara, säger Aleksandar Matic.
