Singapore-forskare från NanoBio Lab (NBL) från A*STAR har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att förbereda nästa generations litium-svavelkatoder, vilket förenklar den typiskt tidskrävande och komplicerade processen för att producera dem. Detta är ett lovande steg mot kommersialisering av litium-svavelbatterier, och tar upp branschens behov av ett praktiskt tillvägagångssätt för att öka produktionen av nya material som förbättrar batteriets prestanda.

Medan litiumjonbatteriet är allmänt erkänt som en avancerad teknik som effektivt kan driva moderna kommunikationsenheter, den har nackdelar som begränsad lagringskapacitet och säkerhetsproblem på grund av dess inneboende elektrokemiska instabilitet. Detta kommer att förändras med en ny förenklad teknik som utvecklats av NBL:s forskargrupp, i utvecklingen av litium-svavel katoder från billiga kommersiellt tillgängliga material. Svavels höga teoretiska energitäthet, låg kostnad och överflöd bidrar till populariteten hos litium-svavelbatterisystem som en potentiell ersättning för litiumjonbatterier.

Teoretiskt sett litium-svavelbatterier kan lagra upp till 10 gånger mer energi än litiumjonbatterier, men kan hittills inte upprätthålla detta vid upprepad laddning och urladdning av batteriet. NBL:s litium-svavel katod visade utmärkt specifik kapacitet på upp till 1, 220 mAh/g, vilket innebär att 1 gram av detta material kan lagra en laddning på 1, 220 mAh. I kontrast, en typisk litiumjonkatod har en specifik energikapacitet på 140 mAh/g. Dessutom, NBL:s katod kan behålla sin höga kapacitet över 200 laddningscykler med minimal förlust av prestanda. Nyckeln till detta var NBL:s unika tvåstegsmetod för att förbereda katoden.

Genom att först bygga kolvärden innan svavelkällan tillsätts, forskarna fick ett 3D-sammankopplat poröst nanomaterial. Detta tillvägagångssätt förhindrar att NBL:s kolställningar kollapsar när batteriet laddas, till skillnad från de för konventionellt framställda katoder. Den senare kollapsar under den första laddnings- och urladdningscykeln, resulterar i en strukturell förändring. Som sådan, de konventionella katoderna blir mycket täta och kompakta med en lägre ytarea och mindre porer, resulterar i lägre batteriprestanda än NBL:s kolställningar. Faktiskt, NBL:s katod erbjöd 48% högre specifik kapacitet och 26% mindre kapacitet bleknar än konventionellt framställda svavelkatoder. När mer svavel tillsattes till materialet, NBL:s katod uppnådde en hög praktisk arealkapacitet på 4 mAh per cm ² .

"Vi har visat att beredningstekniken för svavelkatoder har ett starkt inflytande på den elektrokemiska prestandan i litium-svavelbatterier, "sade professor Jackie Y. Ying, som leder NBL -forskargruppen. "Vår metod är industriellt skalbar och vi räknar med att den kommer att ha en betydande inverkan på framtida design av praktiska litium-svavelbatterier."

NBL -forskarna arbetar med att designa och optimera inte bara katoden, men också anoden, separator och elektrolyt genom nanomaterialteknik. Målet är att utveckla ett helcellssystem för litium-svavelbatteri som har överlägsen energilagringskapacitet, jämfört med konventionella litiumjonbatterier. Ett sådant nytt batterisystem kan hålla mycket längre än nuvarande batterier, och skulle vara av stort intresse för elektroniska enheter, elfordon och nätlagring.