Nanoteknologi nu - Pressemeddelelse: Tidligere ukendt vej til batterier med høj energi, lav pris og lang levetid: Nyopdaget reaktionsmekanisme overvinder hurtig ydeevnenedgang i lithium-svovlbatterier

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Tidligere ukendt vej til batterier med høj energi, lav pris og lang levetid: Nyopdaget reaktionsmekanisme overvinder hurtig ydeevnenedgang i lithium-svovl-batterier

Forskellige reaktionsveje fra lithiumpolysulfid (Li₂SXNUMX) til lithiumsulfid (Li₂S) i lithium-svovlbatterier med (venstre) og uden (højre) katalysator i svovlkatode. KREDIT
(Billede af Argonne National Laboratory.)

Abstract:
Forskere opdager overraskende vej til bedre lithium-svovl-batterier ved at visualisere reaktioner på atomær skala.

Tidligere ukendt vej til batterier med høj energi, lav pris og lang levetid: Nyopdaget reaktionsmekanisme overvinder hurtig ydeevnenedgang i lithium-svovl-batterier

Lemont, IL | Udgivet den 8. september 2023

Vejen fra gennembrud i laboratoriet til praktisk teknologi kan være lang og ujævn. Lithium-svovl-batteriet er et eksempel. Det har bemærkelsesværdige fordele i forhold til nuværende lithium-ion-batterier, der driver køretøjer. Men det har endnu ikke bulet markedet på trods af intens udvikling gennem mange år.

Den situation kan ændre sig i fremtiden takket være indsatsen fra forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory. I løbet af det sidste årti har de gjort adskillige afgørende opdagelser relateret til lithium-svovl-batterier. Deres seneste afsløring, offentliggjort i Nature, låser op for en hidtil ukendt reaktionsmekanisme, der afhjælper en stor mangel - batteriernes meget korte levetid.

Gui-Liang Xu, kemiker i Argonnes Chemical Sciences and Engineering-afdeling, udtalte, at "Vores teams indsats kunne bringe USA et stort skridt tættere på et grønnere og mere bæredygtigt transportlandskab."

Lithium-svovl-batterier tilbyder tre væsentlige fordele i forhold til nuværende lithium-ion-batterier. For det første kan de lagre to til tre gange mere energi i et givet volumen, hvilket resulterer i længere rækkevidde. For det andet gør deres lavere omkostninger, lettet af overflod og overkommelighed af svovl, dem økonomisk levedygtige. Endelig er disse batterier ikke afhængige af kritiske ressourcer som kobolt og nikkel, som kan stå over for mangel i fremtiden.

På trods af disse fordele har overgangen fra laboratoriesucces til kommerciel levedygtighed vist sig at være uhåndgribelig. Laboratorieceller har vist lovende resultater, men når de skaleres op til kommerciel størrelse, falder deres ydeevne hurtigt med gentagne ladninger og afladninger.

Den underliggende årsag til denne ydeevnenedgang ligger i opløsningen af svovl fra katoden under afladning, hvilket fører til dannelsen af opløselige lithiumpolysulfider (Li2S6). Disse forbindelser strømmer ind i den negative lithiummetalelektrode (anode) under opladning, hvilket yderligere forværrer problemet. Som følge heraf hæmmer tabet af svovl fra katoden og ændringer i anodesammensætningen væsentligt batteriets ydeevne under cykling.

I en nylig tidligere undersøgelse udviklede Argonne-forskere et katalytisk materiale, der, når det blev tilsat i en lille mængde til svovlkatoden, i det væsentlige eliminerede svovltabsproblemet. Mens denne katalysator viste lovende i både laboratorie- og kommerciel størrelse celler, forblev dens arbejdsmekanisme på atomare skala en gåde indtil nu.

Holdets seneste forskning kastede lys over denne mekanisme. I fravær af katalysatoren dannes lithiumpolysulfider på katodeoverfladen og gennemgår en række reaktioner, som i sidste ende omdanner katoden til lithiumsulfid (Li2S).

"Men tilstedeværelsen af en lille mængde katalysator i katoden gør hele forskellen," sagde Xu. "Der følger en meget anderledes reaktionsvej, en fri for mellemliggende reaktionstrin."

Nøglen er dannelsen af tætte nanoskalabobler af lithiumpolysulfider på katodeoverfladen, som ikke vises uden katalysatoren. Disse lithiumpolysulfider spredes hurtigt gennem katodestrukturen under afladning og omdannes til lithiumsulfid bestående af krystallitter i nanoskala. Denne proces forhindrer svovltab og ydeevnenedgang i celler i kommerciel størrelse.

Ved at låse denne sorte boks op omkring reaktionsmekanismen brugte forskerne banebrydende karakteriseringsteknikker. Analyser af katalysatorens struktur med de intense synkrotron røntgenstråler ved beamline 20-BM fra Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, afslørede, at den spiller en afgørende rolle i reaktionsvejen. Katalysatorstrukturen påvirker formen og sammensætningen af slutproduktet ved udledning, såvel som mellemprodukterne. Med katalysatoren dannes nanokrystallinsk lithiumsulfid ved fuld udledning. Uden katalysatoren dannes der i stedet mikroskala stavformede strukturer.

"Vores teams indsats kan bringe USA et stort skridt tættere på et grønnere og mere bæredygtigt transportlandskab." — Gui-Liang Xu, kemiker i Argonnes afdeling for kemiske videnskaber og teknik

En anden vital teknik, udviklet på Xiamen University, gjorde det muligt for holdet at visualisere elektrode-elektrolyt-grænsefladen på nanoskala, mens en testcelle arbejdede. Denne nyopfundne teknik hjalp med at forbinde ændringer på nanoskala med opførselen af en operationscelle.

"Baseret på vores spændende opdagelse vil vi lave mere forskning for at designe endnu bedre svovlkatoder," bemærkede Xu. "Det ville også være umagen værd at undersøge, om denne mekanisme gælder for andre næste generations batterier, såsom natrium-svovl."

Med dette holdets seneste gennembrud fremstår fremtiden for lithium-svovl-batterier lysere og tilbyder en mere bæredygtig og miljøvenlig løsning til transportindustrien.

En artikel om denne forskning udkom i Nature. Foruden Xu omfatter forfatterne Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun og Hong-Gang Liao.

Andre deltagende institutioner omfatter Xiamen University, Beijing University of Chemical Technology og Nanjing University. Argonne-forskningen blev støttet af DOE Office of Vehicle Technologies i Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

Om den avancerede fotonkilde

US Department of Energy Office of Science's Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory er en af verdens mest produktive røntgenlyskildefaciliteter. APS leverer røntgenstråler med høj lysstyrke til et forskelligartet fællesskab af forskere inden for materialevidenskab, kemi, kondenseret fysik, livs- og miljøvidenskab og anvendt forskning. Disse røntgenstråler er ideelle til udforskninger af materialer og biologiske strukturer; elementær distribution; kemiske, magnetiske, elektroniske tilstande; og en lang række teknologisk vigtige ingeniørsystemer fra batterier til brændstofindsprøjtningssprøjter, som alle er grundlaget for vores lands økonomiske, teknologiske og fysiske velbefindende. Hvert år bruger mere end 5,000 forskere APS til at producere over 2,000 publikationer, der beskriver effektfulde opdagelser, og løser mere vitale biologiske proteinstrukturer end brugere af nogen anden røntgenlyskildeforskningsfacilitet. APS-forskere og ingeniører nyskaber teknologi, der er kernen i fremskridt af acceleratorer og lyskilder. Dette inkluderer indsættelsesenheder, der producerer røntgenstråler med ekstrem lysstyrke, som forskere sætter pris på, linser, der fokuserer røntgenstrålerne ned til et par nanometer, instrumentering, der maksimerer måden, hvorpå røntgenstrålerne interagerer med prøver, der undersøges, og software, der samler og administrerer den enorme mængde data, der er resultatet af opdagelsesforskning på APS.

Denne forskning brugte ressourcer fra Advanced Photon Source, et amerikansk DOE Office of Science User Facility, der drives af DOE Office of Science af Argonne National Laboratory i henhold til kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357.

####

Om DOE/Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory søger løsninger på presserende nationale problemer inden for videnskab og teknologi. Nationens første nationale laboratorium, Argonne, udfører førende grundlæggende og anvendt videnskabelig forskning i stort set alle videnskabelige discipliner. Argonne-forskere arbejder tæt sammen med forskere fra hundredvis af virksomheder, universiteter og føderale, statslige og kommunale agenturer for at hjælpe dem med at løse deres specifikke problemer, fremme Amerikas videnskabelige lederskab og forberede nationen på en bedre fremtid. Med ansatte fra mere end 60 nationer ledes Argonne af UChicago Argonne, LLC for US Department of Energy's Office of Science.

US Department of Energy's Office of Science er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning inden for de fysiske videnskaber i USA og arbejder på at løse nogle af vor tids mest presserende udfordringer. For mere information, besøg https://energy.gov/science.

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Diana Andersen
DOE/Argonne National Laboratory

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke:

Relaterede links

ARTIKEL TITEL

Relaterede nyheder Presse

Nyheder og information

Chung-Ang University-forskere udvikler en ny DNA-biosensor til tidlig diagnose af livmoderhalskræft: Den elektrokemiske sensor, lavet af en grafitisk nano-løg/molybdændisulfid-nanopladekomposit, detekterer humant papillomavirus (HPV)-16 og HPV-18 med høj specificitet September 8th, 2023

Ny forbindelse udløser immunsystemet på metastaser September 8th, 2023

Maskinlæring bidrager til bedre kvantefejlkorrektion September 8th, 2023

Tests finder ingen fritstående nanorør frigivet fra slid på dæk September 8th, 2023

Kvante får forskere til at se det usete September 8th, 2023

Imaging

Kvante får forskere til at se det usete September 8th, 2023

USTC opnåede dynamisk billeddannelse af grænsefladeelektrokemi August 11th, 2023

Opdagelse kan føre til terahertz-teknologi til kvanteregistrering: Metaloxids egenskaber kan muliggøre en bred vifte af terahertz-frekvensfotonik Juli 21st, 2023

Billedet af sundhed: Virginia Tech-forskere forbedrer bioimaging og sansning med kvantefotonik Juni 30th, 2023

Laboratorier

Ny katalysator kan dramatisk reducere metanforurening fra millioner af motorer: Forskere demonstrerer en måde at fjerne den potente drivhusgas fra udstødningen af motorer, der brænder naturgas. Juli 21st, 2023

En ikke-kovalent bindingsoplevelse: Forskere opdager nye strukturer for unikke hybridmaterialer ved at ændre deres kemiske bindinger Juli 21st, 2023

Afsløring af kvantedansen: Eksperimenter afslører sammenhængen mellem vibrationel og elektronisk dynamik: Kobling af elektronisk og nuklear dynamik afsløret i molekyler med ultrahurtige lasere og røntgenstråler Juli 21st, 2023

Govt.-Lovgivning/Regulering/Finansiering/Politik

Kvante får forskere til at se det usete September 8th, 2023

Chloridioner fra havvand eyed som mulig lithium-erstatning i fremtidens batterier August 11th, 2023

Tatoveringsteknik overfører guld nanomønstre til levende celler August 11th, 2023

Nutiden og fremtiden for computing får et løft fra ny forskning Juli 21st, 2023

Mulig fremtid

Ny forbindelse udløser immunsystemet på metastaser September 8th, 2023

Maskinlæring bidrager til bedre kvantefejlkorrektion September 8th, 2023

Tests finder ingen fritstående nanorør frigivet fra slid på dæk September 8th, 2023

opdagelser

Elektronisk detektion af DNA-nanokugler muliggør simpel patogendetektion Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Træning af kvantecomputere: fysikere vinder prestigefyldte IBM Award September 8th, 2023

Frigørelse af kvantepotentiale: Udnyttelse af højdimensionelle kvantetilstande med QD'er og OAM: Generering af næsten deterministiske OAM-baserede sammenfiltrede tilstande tilbyder en bro mellem fotoniske teknologier til kvantefremskridt September 8th, 2023

Tests finder ingen fritstående nanorør frigivet fra slid på dæk September 8th, 2023

Meddelelser

Elektronisk detektion af DNA-nanokugler muliggør simpel patogendetektion Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Træning af kvantecomputere: fysikere vinder prestigefyldte IBM Award September 8th, 2023

Maskinlæring bidrager til bedre kvantefejlkorrektion September 8th, 2023

Tests finder ingen fritstående nanorør frigivet fra slid på dæk September 8th, 2023

Automotive/Transport

Tests finder ingen fritstående nanorør frigivet fra slid på dæk September 8th, 2023

Forskere udvikler innovativt værktøj til måling af elektrondynamik i halvledere: Indsigt kan føre til mere energieffektive chips og elektroniske enheder Marts 3rd, 2023

Beyond lithium: et lovende katodemateriale til genopladelige magnesiumbatterier: Forskere opdager den optimale sammensætning for en sekundær magnesiumbatterikatode for at opnå bedre cyklerbarhed og høj batterikapacitet Februar 10th, 2023

Batteriteknologi/Kondensatorer/Generatorer/Piezoelektrik/Termoelektrik/Energilagring

Chloridioner fra havvand eyed som mulig lithium-erstatning i fremtidens batterier August 11th, 2023

Grafenbaserede carbonkatalysatorer: syntese, egenskaber og anvendelser – ud over grænser Juni 9th, 2023

Kanalisering af mekanisk energi i en foretrukken retning April 14th, 2023

SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
ChartPrime. Løft dit handelsspil med ChartPrime. Adgang her.
BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
Kilde: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392