En ny polymer hever baren for litium-svovelbatterier

You Bet Your Life: Secret Word - Door / Heart / Water (Kan 2019).

Anonim

Lithium-svovelbatterier er lovende kandidater for å erstatte vanlige litiumionbatterier i elektriske kjøretøy, siden de er billigere, veier mindre og kan lagre nesten dobbelt så mye energi for samme masse. Lithium-svovelbatterier blir imidlertid ustabile over tid, og deres elektroder forverres og begrenser utbredt adopsjon.

Nå har et forskergruppe ledet av forskere ved det amerikanske departementet for energi Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) rapportert at en ny litium-svovelbatteri-komponent muliggjør en dobling i kapasitet sammenlignet med et vanlig litium-svovelbatteri, selv etter mer enn 100 ladningssykluser ved høy strømtetthet, som er nøkkelprestasjonsmålinger for vedtak i elektriske kjøretøyer (EV) og i luftfart.

De gjorde det ved å designe et nytt polymerbindemiddel som aktivt regulerer sentrale iontransportprosesser innenfor et litium-svovelbatteri, og har også vist hvordan det fungerer på molekylært nivå. Arbeidet ble nylig rapportert i Nature Communications.

"Den nye polymeren fungerer som en vegg, " sa Brett Helms, en stabforsker ved Berkeley Labs molekylære støperi og tilsvarende forfatter av studien. "Svovelet er lastet inn i porene til en karbon vert, som deretter forsegles av polymeren vår. Da svovel deltar i batteriets kjemiske reaksjoner, forhindrer polymeren de negativt ladede svovelforbindelsene å vandre ut. Batteriet har et godt løfte om å muliggjøre neste generasjon av EV'er. "

Når et litium-svovelbatteri lagrer og frigjør energi, produserer den kjemiske reaksjonen svovelmolekyler som blir koblet fra elektroden, noe som fører til at den nedbryter og til slutt senker batteriets kapasitet over tid. For å gjøre disse batteriene mer stabile har forskerne tradisjonelt jobbet for å utvikle beskyttende belegg for deres elektroder, og å utvikle nye polymerbindemidler som fungerer som limholdige batterikomponenter sammen. Disse bindemidler er ment å kontrollere eller redusere elektrodens hevelse og sprekker.

Det nye bindemidlet går et skritt videre. Forskere fra organisk syntesefasilitet ved Berkeley Labs molekylære støperi, et forskningsenter som spesialiserer seg på nanoskalaforskning, utviklet en polymer for å holde svovelet i nærheten av elektroden ved å selektivt binde svovelmolekylene, motvirke dens migrerende tendenser.

Det neste trinnet var å forstå de dynamiske strukturelle endringene som sannsynligvis vil oppstå under lading og utladning, så vel som i forskjellige ladestatus. David Prendergast, som leder Foundry's Theory Facility, og Tod Pascal, prosjektforsker i Theory Facility, bygget en simulering for å teste forskernes hypoteser om polymerens oppførsel.

"Vi kan nå på en pålitelig og effektiv måte modellere svovelkjemi innenfor disse bindene basert på læring fra detaljerte kvantemekaniske simuleringer av de oppløste svovelholdige produktene, " uttalte Prendergast.

Deres storskala molekylære dynamikk simuleringer, utført på supercomputing ressurser på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), bekreftet at polymeren har en affinitet for binding av de mobile svovelmolekylene, og forutsier også at polymeren sannsynligvis vil vise en preferanse for binding av forskjellige svovelarter ved forskjellige ladestatus for batteriet. Eksperimenter utført ved Berkeley Labs Advanced Light Source og Argonne National Laboratory's Electrochemistry Discovery Lab bekreftet disse spådommene.

Forskergruppen tok studiet et skritt videre ved også å undersøke ytelsen til litium-svovelceller laget med det nye polymerbindemiddelet. Gjennom et sett av eksperimenter kunne de analysere og kvantifisere hvordan polymeren påvirker den kjemiske reaksjonshastigheten i svovelkatoden, som er nøkkelen til å oppnå høy strømtetthet og høy effekt med disse cellene.

Ved å doble batteriets elektriske kapasitet over langvarig sykling, øker den nye polymeren baren på kapasitet og kraften til litium-svovelbatterier.

Den kombinerte forståelsen av syntesen, teorien og egenskapene til den nye polymeren har gjort det til en nøkkelkomponent i prototypen litium-svovelcelle ved DOEs Joint Center for Energy Storage Research (JCESR).

menu
menu