Nieuwe Technologie Om Lithium-ionvervanging Te Ontwikkelen: De Lithium-zwavelbatterij

De grenzen van op lithium gebaseerde batterijtechnologieën worden verlegd door een nieuwe lithium-zwavelbatterijtechnologie die gezamenlijk wordt ontwikkeld door onderzoekers in de VS en Korea.

Het National Institute of Standards and Technology (NIST), de Universiteit van Arizona en de Seoul National University hebben gezamenlijk een nieuwe en kosteneffectieve methode ontwikkeld voor de productie van lithium-zwavelbatterijen die het potentieel hebben om de beste te zijn vanwege hun hoge capaciteit en veelbelovende levensduur Lithium-ion-technologie ter vervanging van de runtime-prestaties.

Hoewel de energiedichtheid (of opslagcapaciteit) van standaard lithium-ionbatterijen in de loop der jaren is verbeterd, vereisen ze omvangrijke kathodes gemaakt van complexe verbindingen die niet alleen energie-intensief (en dus duur) zijn om te produceren, maar uiteindelijk ook de maximaal haalbare energie. beperkte dichtheid. In feite zijn het vooral de doorbraken in de kathodetechnologie die Li-ion- en andere batterijtechnologieën hebben ontwikkeld, waardoor ze veiliger, goedkoper en beter zijn geworden.

Een van deze veelbelovende alternatieven voor Li-ion-batterijen is de zwavelkathode, die niet alleen lichter en gemakkelijker te vervaardigen is dan op keramiek gebaseerde verbindingen die in typische Li-ion-batterijen worden gebruikt, maar ook de energiedichtheid van lithium-ion-batterijen aanzienlijk verbetert.

Zwavel, in zijn natuurlijke kristallijne vorm (zie afbeelding hierboven), combineert echter gemakkelijk met lithium en vormt verbindingen die de binnenkant van de batterij ophopen. De kristallijne verbindingen kunnen ook barsten onder de spanning van herhaalde cycli. Daarom verliest een typische lithium-zwavelbatterij een aanzienlijk deel van zijn laadcapaciteit binnen enkele tientallen laad-ontlaadcycli.

Dankzij een nieuw chemisch proces zijn onderzoekers er echter in geslaagd een stabiele, niet-kristallijne vorm van zwavel te creëren voor gebruik in de kathode (zie afbeelding hieronder). Het proces dat wordt gebruikt om het materiaal te maken is vergelijkbaar met het proces dat wordt gebruikt om autobanden te maken, waarbij rubber – een koolstofhoudend materiaal – wordt verwarmd met een snufje zwavel om ‘gevulkaniseerd rubber’ te creëren – een robuust product. Door echter de verhoudingen van de twee componenten (veel zwavel en een beetje op koolstof gebaseerd materiaal) te veranderen en het gebruikte type op koolstof gebaseerde materialen verder te optimaliseren, zijn onderzoekers erin geslaagd om uit deze ‘omgekeerde’ batterijkathode een stabiele batterijkathode met hoge capaciteit te creëren. vulkanisatieproces.

Het bleek dat de resulterende batterij na 500 cycli meer dan de helft van zijn oorspronkelijke capaciteit behield – vergelijkbaar met de prestaties van standaard lithium-ionbatterijen. Volgens NIST-materiaalwetenschapper Christopher Soles: “Vijfhonderd cycli met de capaciteit die we hebben gedemonstreerd, zijn beslist beter dan wat er vandaag de dag in je laptop zit.”

Hoewel dergelijke prestaties al zijn bereikt met andere lithium-zwavelbatterijen, vereisen dergelijke kathodes complexere productieprocessen die niet kostenconcurrerend zijn voor productie op grote schaal. Het bijzondere aan deze ontwikkeling is dat de batterij uitsluitend is gemaakt van gemakkelijk verkrijgbare materialen en met gematigde hitte (185°C), wat zelfs in een oven gemakkelijk kan worden bereikt!

Jeffery Pyun van de Universiteit van Arizona illustreert de eenvoud van het produceren van de kathode uit de grondstoffen: “We nemen het, we smelten het en verpulveren het in één stap, we krijgen dit plastic… Als je naar ons laboratorium zou komen, zouden we doe het in vijf Create-minuten.”

Het is echter belangrijk op te merken dat de batterijen nog steeds gebaseerd zijn op lithiumchemie, die inherent onstabiel is (lithium kan ontbranden bij blootstelling aan lucht). Hoewel dit risico met succes is beperkt met standaard Li-ion-batterijen, betekent dit ook dat de technologie strenge veiligheidstests moet ondergaan voordat deze op de markt komt.

Gezien de eenvoud van het proces en de kosten van grondstoffen (zwavel wordt beschouwd als een afvalproduct van de verwerking van aardolie), heeft de technologie echter het potentieel om te profiteren van lithium-zwavelbatterijen en Li-ionbatterijen te vervangen.