Een aanpak voor het ontwerpen van krachtige lithiumzwavelbatterijen

Lithium-zwavelbatterijen (Li-S) zijn een veelbelovend alternatief voor lithium-ionbatterijen (LiB’s), de meest voorkomende oplaadbare batterijtechnologie. Omdat zwavel overvloedig aanwezig is op aarde, zouden deze batterijen goedkoper en milieuvriendelijker kunnen zijn dan LiB’s, terwijl ze mogelijk ook een hogere energiedichtheid vertonen.

Ondanks deze voordelen is de inzet van Li-S-batterijen tot nu toe beperkt, aangezien veel van deze batterijen ook een lage levensduur en een hoge zelfontlading hebben. Bovendien wordt de voorspelde hoge energiedichtheid van Li-S-batterijen in echte toepassingen vaak veel lager, vanwege de hoge snelheden waarmee ze opladen en ontladen.

Een chemische reactie die een centrale rol speelt bij het waarborgen van de hoge capaciteit van Li-S-batterijen is de zogenaamde zwavelreductiereactie (SRR). Deze reactie is uitgebreid bestudeerd, maar de kinetische tendensen ervan bij hoge stroomsnelheden blijven slecht begrepen.

Onderzoekers van de Universiteit van Adelaide, Tianjin University en het Australische Synchrotron hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd gericht op het afbakenen van de kinetische trend van SRR, om de toekomstige ontwikkeling van krachtige Li-S-batterijen te informeren. Hun papiergepubliceerd in Natuur Nanotechnologieintroduceert ook een nanocomposiet-koolstof-elektrokatalysator waarvan is vastgesteld dat deze de prestaties van Li-S-batterijen verbetert, waardoor een ontladingscapaciteitsbehoud van ongeveer 75% wordt bereikt.

“De activiteit van elektrokatalysatoren voor de zwavelreductiereactie (SRR) kan worden weergegeven met behulp van vulkaangrafieken, die specifieke thermodynamische trends beschrijven”, schreven Huan Li, Rongwei Meng en hun collega’s in hun artikel. “Er is echter nog geen kinetische trend beschikbaar die de SRR bij hoge stroomsnelheden beschrijft, waardoor ons begrip van kinetische variaties wordt beperkt en de ontwikkeling van krachtige Li||S-batterijen wordt belemmerd. Met behulp van het principe van Le Chatelier als richtlijn stellen we een SRR kinetische trend die polysulfideconcentraties correleert met kinetische stromen.”

Om de kinetische trend van de SRR bij hoge stromen verder te onderzoeken, verzamelden de onderzoekers ook synchrotron-röntgenadsorptiespectroscopiemetingen en voerden ze verschillende moleculaire orbitale berekeningen uit. Over het geheel genomen suggereren hun resultaten dat de orbitale bezetting in katalysatoren op basis van overgangsmetalen verband houdt met de concentratie van polysulfide in batterijen, en bijgevolg ook met kinetische voorspellingen van SRR.

Gebaseerd op de kinetische trend die ze schetsten, ontwierpen Li, Meng en hun medewerkers een nieuwe nanocomposiet-elektrokatalysator bestaande uit een op koolstof gebaseerd materiaal en CoZn-clusters. Vervolgens integreerden ze deze katalysator in een Li-S-batterijcel en testten de prestaties ervan, waarbij ze zich concentreerden op de laad-ontlaadsnelheden.

“Wanneer de elektrokatalysator wordt gebruikt in een positieve elektrode op zwavelbasis (5 mg cm⁻² van S-belasting), kan de overeenkomstige Li||S-knoopcel (met een elektrolyt:S-massaverhouding van 4,8) gedurende 1000 cycli worden gebruikt bij 8 °C (dat wil zeggen, 13,4 A g_S⁻¹(gebaseerd op de massa zwavel) en 25°C’, schreven de onderzoekers.

“Deze cel vertoont een retentie van de ontladingscapaciteit van ongeveer 75% (uiteindelijke ontladingscapaciteit van 500 mAh g_S⁻¹) overeenkomend met een aanvankelijk specifiek vermogen van 26.120 W kg_S⁻¹ en specifieke energie van 1.306 Wh kg_S⁻¹.”

Over het geheel genomen laat het recente onderzoek van Li, Meng en hun collega’s zien dat verhoogde polysulfideconcentraties een snellere SRR-kinetiek bevorderen; katalysatoren die de polysulfideconcentratie verhogen, zouden deze reactie dus kunnen versnellen. Dit resultaat werd gevalideerd via zowel theoretische berekeningen als experimentele metingen.

Voortbouwend op hun observaties hebben de onderzoekers al één elektrokatalysator geïntroduceerd waarvan is vastgesteld dat deze het capaciteitsbehoud en de cyclische stabiliteit van een Li-S-batterij verbetert. In de toekomst zou hun werk het ontwerp van andere veelbelovende katalysatoren kunnen inspireren, wat mogelijk kan bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe krachtige Li-S-batterijtechnologieën.