Ende Juli 2008 wurde ein britischer solarbetriebene Flugzeuge in großer Höhe für drei Tage in Folge fliegen, einen inoffiziellen Fluglangzeit-Rekord zu schaffen. Vielleicht nur wenige Menschen wissen, dass ein Lithium-Schwefel (Li-S) Batterie als Teil der größten technologischen Fortschritte Erstens, es treibt das Flugzeug nachts an und seine Effizienz ist selbst an der Oberseite der Batterie unerreicht.
Solarflugzeug Zephyr S (Bild aus dem Netzwerk) Zehn Jahre später scheint die Welt auf die Kommerzialisierung von Li-S-Batterien zu warten: Der Durchbruch der Forscher an der Drexel-Universität hat gerade die großen Hindernisse beseitigt, die sein Überleben behindern.
Technologiekonzerne haben gelernt, dass die Entwicklung von Laptops, Mobiltelefonen und Elektrofahrzeugen von einer stetigen Verbesserung der Batterieleistung abhängig ist: Technologie kann nur dann vorangetrieben werden, wenn die Batterie es erlaubt Lithium-Ionen-Batterien werden derzeit betrachtet Ist die beste Batterie auf dem Markt - erreicht die Grenze der Verbesserung.
Wenn sich die Batterieleistung der Stabilität nähert, versuchen einige Firmen, die Größe von internen Komponenten, die nicht zur Speicherung von Energie beitragen, durch Drücken zu reduzieren, um das letzte Volt in das Speichergerät zu stopfen.Diese strukturellen Änderungen können einige unglückliche Nebenwirkungen haben. So kam es 2016 bei Samsung Mobiltelefonen zu einer Reihe von Explosionsunfällen.
Samsung Handy nach Batterieexplosion (Bild aus dem Netzwerk) Forscher und Technologieunternehmen untersuchen, wie Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S-Batterien) schließlich Lithium-Ionen-Batterien ersetzen werden, weil diese neue chemische Reaktion theoretisch mehr Energie in eine einzige Batterie bringt - eine Maßnahme Dies nennt man die Energiedichte in der Batterieentwicklung, die etwa die 5- bis 10-fache Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie bringt, was einer längeren Batterielaufzeit zwischen dieser Ladung und der nächsten Ladung entspricht.
Das Problem ist, dass nach Abschluss der ersten mehrere Ladung, Li-S-Zelle kann nicht länger aufrechterhalten seine überlegene Fähigkeit bewiesen, Schwefel als Schlüsselkomponente, die Energiedichte zu erhöhen, wird die Elektrode in der Form von ‚Polysulfid apos Zwischenprodukten sein, Migration, die zum Verlust dieser Schlüsselkomponente und zu Leistungseinbußen während des Ladevorgangs führt.
Wissenschaftler versuchen seit Jahren, diese Polysulfidreaktionen in Li-S-Batterien zu stabilisieren, aber die meisten Versuche haben andere Komplikationen, wie z. B. das Hinzufügen von Gewicht zu Batterien, die Verwendung teurer Materialien oder das Hinzufügen mehrerer komplizierter Verarbeitungsschritte. Aber jetzt ist eine neue Methode geboren: Eine Studie der Drexels School of Engineering in der neuesten Ausgabe des Journal of Applied Chemistry and Interfaces der American Chemical Society trägt den Titel Titandioxid (TiO) Nanofasers as Li Bericht über Polysulfid-Fixative in -S-Batterien: Nachweis von Lewis-Säure-Base-Wechselwirkungen, was darauf hindeutet, dass Polysulfide an Ort und Stelle gehalten werden können, die beeindruckende Ausdauer solcher Zellen erhalten bleibt, während das Gesamtgewicht reduziert und produziert wird Zeit benötigt.
Wir haben geschaffen Freistehende poröse Titanoxid-Nanofasermatte "Als Kathodenmaterial in Lithium-Schwefel-Batterien", sagte Dr. Vibha Kalra, "ist ein Assistenzprofessor an der School of Engineering, der Hauptforschungsautor." Dies ist eine wichtige Entwicklung, weil wir unsere Titan-Schwefel-Kathode mit hoher Leitfähigkeit gefunden haben. Durch die Fähigkeit, Polysulfid durch starke chemische Wechselwirkungen zu kombinieren, kann die spezifische Kapazität der Batterie erhöht werden, während die beeindruckende Leistung beibehalten wird. Wir können auch beweisen, dass dies das Bindemittel vollständig eliminieren und auf der Kathodenseite abbinden kann. Elektrogeräte, die 30-50% des Elektrodengewichts ausmachen - unsere Methode dauert nur wenige Sekunden, um eine Schwefelkathode zu bilden. Der derzeitige Standard kann bis zu einem halben Tag dauern. '
Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Nanofasermatte dem Nest auf mikroskopischer Ebene ähnlich ist und eine ausgezeichnete Schwefelkathodenplattform darstellt, da sie das von der Batterie produzierte Polysulfid anziehen und einfangen kann, wobei das Polysulfid in der Kathodenstruktur das Shuttle verhindert. Dies ist eine Leistungsverschlechterung, die auftritt, wenn sie in der Elektrolytlösung gelöst werden, in der die Kathode und die Anode von der Batterie getrennt sind.
Laut Kalra trägt dieses Kathoden-Design nicht nur dazu bei, dass die Li-S-Batterie ihre Energiedichte beibehält, sondern erreicht dies auch ohne zusätzliche Materialien, die zu erhöhten Gewicht und Produktionskosten führen.
Um diese zwei Ziele zu erreichen, hat das Team eine eingehende Studie zu diesem Thema durchgeführt, einschließlich Reaktionsmechanismen und Polysulfidbildung, um besser zu verstehen, wie Elektroden-Wirtsmaterialien ihnen helfen.
Diese Studie zeigt, dass es eine starke Lewis-Säure-Base-Wechselwirkung zwischen Titanoxid und Schwefel in der Kathode gibt, die verhindert, dass Polysulfid in den Elektrolyten eindringt, was der Hauptgrund für die Abnahme der Batterieleistung ist Dr. Arvinder Singh, ein Postdoktorand, sagte.
Dies bedeutet, dass ihr Kathodendesign den Li-S-Zellen helfen kann, ihre Energiedichte beizubehalten - und ohne zusätzliche Materialien, um das Gewicht und die Produktionskosten zu erhöhen, zeigt Kalra, Kalras 'frühere Forschung an Nanofaserelektroden, dass sie mehrere Vorteile haben Überstrom-Akkupacks: Sie haben eine größere Oberfläche als die Stromelektrode und können so während des Ladevorgangs gedehnt werden, was die Speicherkapazität der Batterie erhöht und durch das Auffüllen des Elektrolytgels entflammbare Komponenten im Gerät beseitigt. Minimierung ihrer Empfindlichkeit gegenüber Lecks, Bränden und Explosionen.
Sie werden durch einen Elektrospinnprozess hergestellt, der aussieht wie Marshmallows, was bedeutet, dass sie einen Vorteil gegenüber herkömmlichen pulverbasierten Elektroden haben, die eine Isolierung und klebende Chemikalien erfordern, die die Leistung während der Produktion beeinträchtigen können. .
Elektrospinning-Erstellung Prozess , sieht aus wie Marshmallows zu machen. (Bild aus dem Internet) Zur Herstellung einer binderfreien, eigenständigen Kathodenplattform zur Verbesserung der Batterieleistung hat Kalras Labs eine schnelle Schwefelabscheidungstechnologie entwickelt, mit der das Substrat in nur fünf Sekunden mit Schwefel versetzt wird.
"Dieses Programm schmilzt Schwefel in Nanofasermatten in einer leichten Druckumgebung von 140 Grad Celsius - ohne zeitraubende Verarbeitung oder Verwendung gemischter toxischer Chemikalien und verbessert die Wirksamkeit der Kathode nach längerem Gebrauch. Die S-Elektrode bietet die richtige Struktur ", sagte Kalra," Minimierung der Kapazitätsabnahme während des Batteriewechsels, was eines der Haupthindernisse für die Kommerzialisierung von Li-S-Batterien darstellt. "
"Unsere Forschung zeigt, dass die kontinuierliche effektive Kapazität dieser Elektroden viermal so hoch ist wie die der aktuellen Lithium-Ionen-Batterien. Unsere neuartige, kostengünstige Methode kann in Sekundenschnelle eine Sulfidkathode herstellen, wodurch größere Herstellungshindernisse beseitigt werden."
Ob es um die Entwicklung von Laptops, Mobiltelefonen oder Elektroautos geht, es kommt auf die stetige Verbesserung der Batterieleistung an: Technologie kann nur dann vorangetrieben werden, wenn die Batterie es erlaubt, Lithium-Ionen-Batterien - derzeit die beste Batterie auf dem Markt - Erreichen Sie die Grenzen der Verbesserung. (Bild aus dem Internet)
Seit dem rekordverdächtigen Flug der Zephyr-6s solarbetriebenen Flugzeuge im Jahr 2008 haben viele Unternehmen in die Entwicklung von Li-S-Batterien investiert, um die Lebensdauer verschiedener Elektrofahrzeuge zu verlängern, mobile Geräte während des Ladevorgangs länger durchhalten zu lassen und sogar die gesamte Energiequelle zu unterstützen. Das Netzwerk passt sich an die intermittierende Natur von Wind- und Sonnenenergie an, die Arbeit von Kalras bietet nun einen Entwicklungsweg für diese Batterietechnologie, die eine Reihe von Hindernissen durchbrechen kann.
Das Team wird seine Li-S-Kathode weiter entwickeln mit dem Ziel, die Lebensdauer der Zyklen weiter zu verbessern, die Polysulfidbildung zu reduzieren und die Kosten zu senken.
