211service.com
Lithium-zwavelbatterijen opnieuw bekijken
Lithium-zwavelbatterijen, die mogelijk meerdere keren meer energie kunnen opslaan dan lithium-ionbatterijen, zijn in het verleden te duur, onveilig en onbetrouwbaar geweest om commercieel te maken. Maar ze krijgen nu een frisse kijk, dankzij enkele recente ontwikkelingen. Verbeteringen aan het ontwerp van deze batterijen hebben geleid tot de chemische gigant BASF uit Ludwigshafen, Duitsland, om mee samen te werken Sion Power , een bedrijf in Tucson, AZ, dat al prototype lithium-zwavelbatterijcellen heeft ontwikkeld.
Zwavelkracht: Dit prototype lithium-zwavelbatterij is ontwikkeld door Sion Power. In samenwerking met BASF wil het bedrijf het batterijontwerp voor gebruik in elektrische voertuigen verbeteren.
Vergeleken met de bestaande technologieën die in elektrische voertuigen worden gebruikt, is het de bedoeling om de rijafstand minstens 5 tot 10 keer te vergroten voor een batterij van een bepaald formaat, zegt Thomas Weber, CEO van een dochteronderneming van BASF genaamd BASF Toekomstige Zaken . Andere experts zeggen dat een drievoudige verbetering een redelijkere schatting is, maar dat zou nog steeds een indrukwekkende prestatiesprong zijn. Weber zegt dat de expertise van BASF op het gebied van materialen Sion Power zal helpen zijn technologie verder te verbeteren en sneller op de markt te brengen. Hij weigerde echter details te geven over de regeling, inclusief hoeveel geld ermee gemoeid is en hoe de bedrijven eventuele winsten zullen delen.
Lithium-zwavelbatterijen hebben één elektrode gemaakt van lithium en een andere gemaakt van zwavel dat meestal gepaard gaat met koolstof. Net als bij lithium-ionbatterijen, omvat het opladen en ontladen van de batterij de beweging van lithiumionen tussen de twee elektroden. Maar de theoretische capaciteit van lithium-zwavelbatterijen is hoger dan die van lithium-ionbatterijen vanwege de manier waarop de ionen worden geassimileerd aan de elektroden. Bij de zwavelelektrode kan elk zwavelatoom bijvoorbeeld twee lithiumionen bevatten. Gewoonlijk kunnen in lithium-ionbatterijen voor elk gastheeratoom slechts 0,5 tot 0,7 lithiumionen worden ondergebracht, zegt mooie nazar , een professor in de chemie aan de Universiteit van Waterloo.
Het was een uitdaging om materialen te maken die profiteren van deze hogere theoretische capaciteit. Een groot probleem was dat zwavel een isolerend materiaal is, waardoor het moeilijk is voor elektronen en ionen om in en uit te bewegen. Dus hoewel elk zwavelatoom in theorie twee lithiumionen kan bevatten, accepteren in feite vaak alleen die zwavelatomen nabij het oppervlak van het materiaal lithiumionen.
Een ander probleem is dat als zwavel zich bindt aan lithiumionen en uiteindelijk dilithiumsulfide vormt, het een aantal tussenproducten vormt die polysulfiden worden genoemd. Deze lossen op in de vloeibare elektrolyt van de batterij en kunnen zich uiteindelijk in andere delen van de batterij nestelen, waar ze het laden en ontladen kunnen blokkeren. Hierdoor kan de batterij al na enkele tientallen cycli helemaal stoppen met werken.
Bovendien levert de lithiummetaalelektrode potentiële veiligheidsproblemen op. Tijdens gebruik kan de lithiumelektrode bijvoorbeeld vertakte structuren laten groeien die de impedantie van de cel verhogen, waardoor deze opwarmt. Uiteindelijk kunnen deze structuren kortsluiting veroorzaken. Als de batterij warm wordt, kan het metaal smelten. Als het gesmolten lithium uit de cel lekt en in contact komt met water, kan er brand ontstaan. Het elektrolyt van de batterij kan ook vlam vatten.
Hoewel hij weigerde details te geven, zegt Weber dat deze veiligheidsproblemen zijn opgelost. Het doel van BASF is om de materialen verder te verbeteren om toegang te krijgen tot meer van hun theoretische capaciteit, iets waarvan hij zegt dat het bedrijf een duidelijk plan heeft om te doen.
Wat betreft het aanpakken van veiligheidsproblemen, zouden drie vorderingen het vertrouwen van Weber kunnen verklaren. Methoden voor het chemisch behandelen van lithiummetaalelektroden kunnen op zijn minst enige dendrietvorming voorkomen, hoewel niet alle onderzoekers ervan overtuigd zijn dat deze aanpak zal volstaan. Ook kunnen verbeterde polymere en keramische membranen die de twee elektroden scheiden en weerstand bieden tegen doorboord worden door de dendrieten kortsluitingen voorkomen. De batterijen kunnen echter nog steeds kwetsbaar zijn voor kortsluiting als ze beschadigd zijn. Om elektrolytbranden te voorkomen, zegt Nazar dat er minder vluchtige elektrolyten kunnen worden gebruikt met lithium-zwavelbatterijen, omdat ze een lagere spanning hebben dan lithium-ionbatterijen.
Andere problemen, waaronder een lage geleidbaarheid en een beperkt aantal oplaadcycli, lijken in ieder geval gedeeltelijk door Sion Power te zijn verholpen. Het bedrijf heeft cellen geproduceerd die meer dan twee keer zoveel energie opslaan als de momenteel beschikbare lithium-ionbatterijen, iets wat BASF hoopt te verbeteren. En Weber zegt dat de batterijen net zo lang mee kunnen gaan als een auto, hoewel dit gebaseerd kan zijn op prognoses van Sion Power in plaats van gemeten prestaties.
John Kopera, directeur commerciële operaties van Sion Power, zegt dat de huidige batterijen van het bedrijf geschikt zijn voor 50 cycli en dat het een uitgebreid plan heeft om ongeveer 1.000 cycli te bereiken. (Dat is genoeg voor maar liefst 300.000 mijl rijden, met een batterijpakket dat een bereik van 300 mijl biedt.)
Beide bedrijven houden de details van hun avances voor zichzelf. Maar deze week, in het journaal natuur materialen, Nazar beschreef een mogelijke benadering om deze problemen op te lossen. In het verleden hebben onderzoekers de geleidbaarheid verbeterd door zwavel te combineren met koolstof. Nazar ging nog een stap verder door elektroden te nemen die zijn samengesteld uit koolstofbuizen op regelmatige afstanden en ze slechts enkele nanometers breed te maken. (Hun structuur is anders dan die van koolstofnanobuizen.) Het team van Nazar heeft vervolgens zwavel in de nanoschaalruimten tussen deze buizen gepakt, zodat de meeste zwavelatomen dicht bij geleidende koolstof zitten, waardoor ze toegankelijk zijn voor zowel elektronen als lithiumionen.
De koolstofbuizen hielpen ook bij het oplossen van het probleem van polysulfiden, die een cel voortijdig kunnen doden. De koolstofbuizen houden de polysulfiden effectief op hun plaats totdat ze volledig zijn omgezet in dilithiumsulfide, wat de batterij niet vergiftigt. Door de koolstof te coaten met een polymeer dat affiniteit heeft met polysulfiden, blijven ze ook op hun plaats. Maar het is niet duidelijk of BASF ook een nanogestructureerde elektrode zou kunnen proberen om de materialen van Sion te verbeteren. Tot nu toe heeft Sion Power geen nanogestructureerde materialen gebruikt, zegt Kopera. Een uitdaging met de aanpak van Nazar is dat het moeilijk zal zijn om de koolstofbuiselektroden in grote volumes te vervaardigen.
Sommige problemen blijven waarschijnlijk. Om te beginnen kunnen de batterijen duur zijn - lithiummetaal is de duurste vorm van lithium. Er zijn ook nog geen harde gegevens beschikbaar over hoeveel oplaadcycli de batterijen kunnen ondergaan en hoe ze reageren op veiligheidstests. Toch, zegt Nazar, heeft de technologie zeker een lange weg afgelegd. Onze ontwikkelingen en die van een aantal andere bedrijven maken het zeker mogelijk om veel dichter bij de realiteit te staan.