Op silicium gebaseerde kathoden stabiliseren Li-S-cellen. Effect: meer dan 2 laadcycli in plaats van enkele tientallen

Wetenschappers van het Daegu Institute of Science and Technology (DGIST, Zuid-Korea) hebben een op silicium gebaseerde kathode ontwikkeld die naar verwachting meer dan 2 laadcycli in Li-S-cellen kan doorstaan. Klassieke lithium-ioncellen gebruiken puur silicium in de anoden om grafiet aan te vullen en geleidelijk te vervangen. Hier is siliciumoxide gebruikt en in de kathode is siliciumdioxide gebruikt.

Li-S-cel = lithiumanode, siliciumdioxidekathode met zwavel

Li-S-cellen worden als interessant beschouwd vanwege hun hoge energiedichtheid, gewicht en lage fabricagekosten. Tot nu toe heeft echter niemand zo'n versie kunnen maken die bestand is tegen meer dan enkele tientallen laadcycli. Allemaal vanwege lithiumpolysulfiden (LiPS), die tijdens het ontladen oplossen in de elektrolyt en reageren met de anode, waardoor de capaciteit ervan afneemt en als gevolg daarvan de batterij wordt vernietigd.

Mogelijk hebben Zuid-Koreaanse onderzoekers een oplossing voor het probleem gevonden. In plaats van op koolstof gebaseerde materialen (zoals grafiet) gebruikten ze in de kathode. lamellaire structuur van mesoporous silica (POMS).

De lamellaire structuur wordt begrepen, terwijl mesoporositeit de opeenhoping van poriën (holten) in silica betekent die een geplande grootte, oppervlaktedichtheid en kleine spreiding in grootte hebben (bron). Het is een beetje alsof je regelmatig plaatjes van een soort silicaat naast elkaar prikt om een zeef te maken.

Wetenschappers van DGIST gebruikten deze gaten om er zwavel in te deponeren (figuur a). Tijdens het ontladen lost zwavel op en vormt het lithiumpolysulfiden (LiPS) met lithium. De lading stroomt dus, maar LiPS blijft vastzitten in de buurt van de kathode vanwege een extra onbepaalde koolstoffactor (zwarte structuur, figuur b).

Tijdens het opladen geeft LiPS lithium af, dat wordt teruggevoerd naar de lithiumanode. Aan de andere kant gaat zwavel in silica. Geen LiPS-lekkage naar de anode, geen metaalschade.

De op deze manier gecreëerde Li-S-batterij behoudt een hoge capaciteit en stabiliteit gedurende meer dan 2 werkcycli. De standaard voor klassieke Li-ion-cellen wordt beschouwd als ten minste 500-700 werkingscycli, hoewel het de moeite waard is hieraan toe te voegen dat goed behandelde lithium-ion-cellen enkele duizenden cycli kunnen doorstaan.