211service.com
Återbesök litium-svavelbatterier
Litium-svavelbatterier, som potentiellt kan lagra flera gånger mer energi än litiumjonbatterier, har historiskt sett varit för dyra, osäkra och opålitliga för att göra kommersiellt. Men de får ett nytt utseende nu, på grund av några senaste framsteg. Förbättringar av utformningen av dessa batterier har lett kemijätten BASF från Ludwigshafen, Tyskland, att samarbeta med Sion Power , ett företag i Tucson, AZ, som redan har utvecklat prototyper av litium-svavelbattericeller.
Svavelkraft: Denna prototyp av litium-svavelbatteri utvecklades av Sion Power. I samarbete med BASF avser företaget att förbättra batteridesignen för användning i elfordon.
Jämfört med befintlig teknik som används i elfordon är planen att öka körsträckan minst 5 till 10 gånger för ett batteri av en viss storlek, säger Thomas Weber, VD för ett dotterbolag till BASF som heter BASF Future Business . Andra experter säger att en trefaldig förbättring är en mer rimlig uppskattning, men det skulle ändå vara ett imponerande hopp i prestanda. Weber säger att BASF:s expertis inom material kommer att hjälpa Sion Power att ytterligare förbättra sin teknologi och ta ut den snabbare på marknaden. Han avböjde dock att ge detaljer om arrangemanget, inklusive hur mycket pengar det handlar om och hur företagen kommer att dela eventuella vinster.
Litium-svavelbatterier har en elektrod gjord av litium och en annan gjord av svavel som vanligtvis är ihopkopplad med kol. Precis som med litiumjonbatterier innebär laddning och urladdning av batteriet litiumjoners rörelse mellan de två elektroderna. Men den teoretiska kapaciteten hos litium-svavelbatterier är högre än för litiumjonbatterier på grund av hur jonerna assimileras vid elektroderna. Till exempel, vid svavelelektroden kan varje svavelatom vara värd för två litiumjoner. Typiskt, i litiumjonbatterier, för varje värdatom, kan endast 0,5 till 0,7 litiumjoner rymmas, säger vackra nazar , professor i kemi vid University of Waterloo.
Att tillverka material som drar fördel av denna högre teoretiska kapacitet har varit en utmaning. En stor fråga har varit att svavel är ett isolerande material, vilket gör det svårt för elektroner och joner att röra sig in och ut. Så medan varje svavelatom i teorin kan vara värd för två litiumjoner, accepterar faktiskt ofta bara de svavelatomer nära materialets yta litiumjoner.
Ett annat problem är att när svavlet binder till litiumjoner och så småningom bildar dilitiumsulfid, bildar det ett antal mellanprodukter som kallas polysulfider. Dessa löses upp i batteriets flytande elektrolyt och kan så småningom lägga sig i andra delar av batteriet, där de kan blockera laddning och urladdning. På grund av detta kan batteriet sluta fungera helt efter bara några dussin cykler.
Dessutom uppvisar litiummetallelektroden potentiella säkerhetsproblem. Till exempel, under användning, kan litiumelektroden växa grenliknande strukturer som ökar cellens impedans, vilket gör att den värms upp. Så småningom kan dessa strukturer orsaka kortslutning. Om batteriet värms upp kan metallen smälta. Om det smälta litiumet läcker ut ur cellen och kommer i kontakt med vatten kan det starta en brand. Batteriets elektrolyt kan också fatta eld.
Även om han avböjde att ge detaljer, säger Weber att dessa säkerhetsproblem har lösts. BASF:s mål är att ytterligare förbättra materialet för att få tillgång till mer av deras teoretiska kapacitet, något han säger att företaget har en tydlig plan för att göra.
När det gäller att ta itu med säkerhetsfrågor kan tre framsteg förklara Webers förtroende. Metoder för kemisk behandling av litiummetallelektroder kan förhindra åtminstone en del dendritbildning, även om inte alla forskare är övertygade om att detta tillvägagångssätt kommer att vara tillräckligt. Dessutom kan förbättrade polymer- och keramiska membran som separerar de två elektroderna och motstår att genomträngas av dendriterna förhindra kortslutning. Batterierna kan dock fortfarande vara känsliga för kortslutning om de är skadade. För att förhindra elektrolytbränder säger Nazar att mindre flyktiga elektrolyter skulle kunna användas med litium-svavelbatterier eftersom de har lägre spänning än litiumjonbatterier.
Andra problem, inklusive låg ledningsförmåga och ett begränsat antal laddningscykler, verkar åtminstone delvis ha åtgärdats av Sion Power. Företaget har producerat celler som lagrar mer än dubbelt så mycket energi som litiumjonbatterier som finns tillgängliga idag, något BASF hoppas kunna förbättra. Och Weber säger att batterierna kan hålla en bils livstid, även om detta kan baseras på prognoser från Sion Power, snarare än uppmätt prestanda.
John Kopera, Sion Powers direktör för kommersiell verksamhet, säger att företagets nuvarande batterier är klassade för 50 cykler och att det har en omfattande plan för att nå cirka 1 000 cykler. (Det räcker för så mycket som 300 000 miles av körning, med ett batteripaket som ger en 300-mils räckvidd.)
Båda företagen håller detaljer om sina framsteg för sig själva. Men den här veckan, i journalen Naturmaterial, Nazar beskrev ett möjligt sätt att lösa dessa problem. Tidigare har forskare förbättrat konduktiviteten genom att kombinera svavel med kol. Nazar gick ett steg längre genom att ta elektroder som består av regelbundet placerade kolrör och göra dem bara några nanometer breda. (Deras struktur skiljer sig från den för kolnanorör.) Nazars team packade sedan svavel i utrymmena i nanoskala mellan dessa rör, så att de flesta av svavelatomerna sitter nära ledande kol, vilket gör dem tillgängliga för både elektroner och litiumjoner.
Kolrören hjälpte också till att lösa problemet med polysulfider, som kan döda en cell i förtid. Kolrören fångar effektivt polysulfiderna på plats tills de är helt omvandlade till dilitiumsulfid, vilket inte förgiftar batteriet. Att belägga kolet med en polymer som har en affinitet för polysulfider hjälper också till att hålla dem på plats. Men det är inte klart om BASF också kan prova en nanostrukturerad elektrod för att förbättra Sions material. Hittills har Sion Power inte använt nanostrukturerade material, säger Kopera. En utmaning med Nazars tillvägagångssätt är att det kommer att bli svårt att tillverka kolrörselektroderna i stora volymer.
Vissa problem kvarstår troligen. För det första kan batterierna vara dyra - litiummetall är den dyraste formen av litium. Dessutom finns det ännu inga fasta uppgifter om hur många laddningscykler batterierna kan genomgå och hur de svarar på säkerhetstester. Ändå, säger Nazar, har tekniken verkligen kommit långt. Vår och ett par andra företags utveckling gör det verkligen möjligt att komma mycket närmare verkligheten.