Lithium-zwavelbatterij met 1.000 cycli kan het bereik van elektrische voertuigen vervijfvoudigen

Een nieuw biologisch geïnspireerd batterijmembraan heeft het mogelijk gemaakt dat een batterij met vijf keer de capaciteit van het industriestandaard lithium-ionontwerp de meer dan duizend cycli nodig heeft om een ​​elektrische auto van stroom te voorzien.

Een netwerk van aramide-nanovezels, gerecycled uit Kevlar, kan lithium-zwavelbatterijen in staat stellen hun achilleshiel van de levensduur te overwinnen – het aantal keren dat ze kunnen worden opgeladen en ontladen – heeft een team van de Universiteit van Michigan aangetoond.

“Er zijn een aantal rapporten die enkele honderden cycli voor lithium-zwavelbatterijen claimen, maar dit gaat ten koste van andere parameters – capaciteit, oplaadsnelheid, veerkracht en veiligheid. De uitdaging is tegenwoordig om een ​​batterij te maken die de fietssnelheid verhoogt van de voormalige 10 cycli tot honderden cycli en voldoet aan meerdere andere vereisten, waaronder kosten”, zegt Nicholas Kotov, de Irving Langmuir Distinguished University Professor of Chemical Sciences and Engineering, die het onderzoek leidde.

“Biomimetische engineering van deze batterijen integreerde twee schalen – moleculair en nanoschaal. Voor het eerst hebben we ionische selectiviteit van celmembranen en taaiheid van kraakbeen geïntegreerd. Onze geïntegreerde systeembenadering stelde ons in staat om de overkoepelende uitdagingen van lithium-zwavelbatterijen aan te pakken.”

Eerder vertrouwde zijn team op netwerken van aramide-nanovezels doordrenkt met een elektrolytgel om een ​​van de belangrijkste oorzaken van een korte levensduur te stoppen: dendrieten die van de ene elektrode naar de andere groeien en het membraan doorboren. De taaiheid van aramidevezels stopt de dendrieten.

Maar lithiumzwavelbatterijen hebben nog een ander probleem: kleine moleculen lithium en zwavel vormen en stromen naar het lithium, hechten zich vast en verminderen de capaciteit van de batterij. Het membraan moest ervoor zorgen dat lithiumionen van het lithium naar de zwavel en terug konden stromen – en om de lithium- en zwaveldeeltjes, ook wel lithiumpolysulfiden genoemd, te blokkeren. Dit vermogen wordt ionselectiviteit genoemd.

“Geïnspireerd door biologische ionkanalen, hebben we snelwegen voor lithiumionen ontworpen waar lithiumpolysulfiden de tol niet kunnen passeren”, zegt Ahmet Emre, een postdoctoraal onderzoeker in chemische technologie en co-eerste auteur van het artikel in Nature Communications.

De lithiumionen en lithiumpolysulfiden zijn vergelijkbaar in grootte, dus het was niet voldoende om de lithiumpolysulfiden te blokkeren door kleine kanaaltjes te maken. Door poriën in biologische membranen na te bootsen, voegden de UM-onderzoekers een elektrische lading toe aan de poriën in het batterijmembraan.

Ze deden dit door de lithiumpolysulfiden zelf te gebruiken: ze plakten aan de aramide-nanovezels en hun negatieve ladingen stoten de lithiumpolysulfide-ionen af ​​die zich aan de zwavelelektrode bleven vormen. Positief geladen lithiumionen konden echter vrij passeren.

“Het bereiken van recordniveaus voor meerdere parameters voor meerdere materiaaleigenschappen is wat nu nodig is voor autobatterijen”, zei Kotov. “Het lijkt een beetje op gymnastiek voor de Olympische Spelen – je moet overal perfect zijn, inclusief de duurzaamheid van hun productie.”

Als batterij zegt Kotov dat het ontwerp “bijna perfect” is, met zijn capaciteit en efficiëntie die de theoretische limieten naderen. Het kan ook de extreme temperaturen van het autoleven aan, van de hitte van het opladen in de volle zon tot de kou van de winter. De levenscyclus van de echte wereld kan echter korter zijn met snel opladen, meer als 1.000 cycli, zegt hij. Dit wordt beschouwd als een levensduur van tien jaar.

Naast de hogere capaciteit hebben lithium-zwavelbatterijen duurzaamheidsvoordelen ten opzichte van andere lithium-ionbatterijen. Zwavel is veel overvloediger dan het kobalt van lithium-ion-elektroden. Daarnaast kunnen de aramidevezels van het batterijmembraan worden gerecycled uit oude kogelwerende vesten.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.