Nanoteknologi nå – Pressemelding: Tidligere ukjent vei til batterier med høy energi, lav pris og lang levetid: Nyoppdaget reaksjonsmekanisme overvinner rask ytelsesnedgang i litium-svovelbatterier

Hjemprodukt > Press > Tidligere ukjent vei til batterier med høy energi, lav pris og lang levetid: Nyoppdaget reaksjonsmekanisme overvinner rask ytelsesnedgang i litium-svovelbatterier

Ulike reaksjonsveier fra litiumpolysulfid (Li₂SXNUMX) til litiumsulfid (Li₂S) i litium-svovelbatterier med (venstre) og uten (høyre) katalysator i svovelkatode. KREDITT (Bilde av Argonne National Laboratory.)

Abstrakt:
Forskere oppdager overraskende vei til bedre litium-svovelbatterier ved å visualisere reaksjoner på atomskala.

Tidligere ukjent vei til batterier med høy energi, lav pris og lang levetid: Nyoppdaget reaksjonsmekanisme overvinner rask ytelsesnedgang i litium-svovelbatterier

Lemont, IL | Lagt ut 8. september 2023

Veien fra gjennombrudd i laboratoriet til praktisk teknologi kan være lang og humpete. Litium-svovelbatteriet er et eksempel. Den har bemerkelsesverdige fordeler i forhold til dagens litium-ion-batterier som driver kjøretøy. Men det har ennå ikke bulket markedet til tross for intens utvikling over mange år.

Den situasjonen kan endre seg i fremtiden takket være innsatsen fra forskere ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. I løpet av det siste tiåret har de gjort flere sentrale funn knyttet til litium-svovel-batterier. Deres siste avsløring, publisert i Nature, låser opp en tidligere ukjent reaksjonsmekanisme som adresserer en stor mangel - batterienes svært korte levetid.

Gui-Liang Xu, kjemiker i Argonnes avdeling for kjemiske vitenskaper og ingeniørfag, uttalte at "lagets innsats kan bringe USA et stort skritt nærmere et grønnere og mer bærekraftig transportlandskap."

Litium-svovel-batterier gir tre betydelige fordeler i forhold til dagens litium-ion-batterier. For det første kan de lagre to til tre ganger mer energi i et gitt volum, noe som resulterer i lengre kjøretøyrekkevidder. For det andre gjør deres lavere kostnad, tilrettelagt av overflod og rimelighet av svovel, dem økonomisk levedyktige. Til slutt, disse batteriene er ikke avhengige av kritiske ressurser som kobolt og nikkel, som kan møte mangel i fremtiden.

Til tross for disse fordelene, har overgangen fra laboratoriesuksess til kommersiell levedyktighet vist seg unnvikende. Laboratorieceller har vist lovende resultater, men når de skaleres opp til kommersiell størrelse, avtar ytelsen raskt ved gjentatt ladning og utladning.

Den underliggende årsaken til denne ytelsesnedgangen ligger i oppløsningen av svovel fra katoden under utladning, noe som fører til dannelsen av løselige litiumpolysulfider (Li2S6). Disse forbindelsene strømmer inn i den negative litiummetallelektroden (anode) under lading, noe som forverrer problemet ytterligere. Følgelig hindrer tapet av svovel fra katoden og endringer i anodesammensetningen batteriets ytelse betydelig under sykling.

I en nylig tidligere studie utviklet Argonne-forskere et katalytisk materiale som, når det ble tilsatt i en liten mengde til svovelkatoden, i det vesentlige eliminerte svoveltapsproblemet. Mens denne katalysatoren viste lovende i både laboratorie- og kommersielle celler, forble dens arbeidsmekanisme i atomskala en gåte til nå.

Lagets nyeste forskning belyste denne mekanismen. I fravær av katalysatoren dannes litiumpolysulfider på katodeoverflaten og gjennomgår en rekke reaksjoner, som til slutt konverterer katoden til litiumsulfid (Li2S).

"Men tilstedeværelsen av en liten mengde katalysator i katoden utgjør hele forskjellen," sa Xu. "En mye annen reaksjonsvei følger, en fri for mellomliggende reaksjonstrinn."

Nøkkelen er dannelsen av tette nanoskalabobler av litiumpolysulfider på katodeoverflaten, som ikke vises uten katalysatoren. Disse litiumpolysulfidene sprer seg raskt gjennom katodestrukturen under utladning og omdannes til litiumsulfid bestående av krystallitter i nanoskala. Denne prosessen forhindrer svoveltapet og ytelsesnedgangen i celler i kommersiell størrelse.

Ved å låse opp denne svarte boksen rundt reaksjonsmekanismen, brukte forskerne banebrytende karakteriseringsteknikker. Analyser av katalysatorens struktur med de intense synkrotronrøntgenstrålene ved beamline 20-BM av Advanced Photon Source, et DOE Office of Science-brukeranlegg, avslørte at den spiller en kritisk rolle i reaksjonsveien. Katalysatorstrukturen påvirker formen og sammensetningen av sluttproduktet ved utslipp, samt mellomproduktene. Med katalysatoren dannes nanokrystallinsk litiumsulfid ved full utladning. Uten katalysatoren dannes stavformede strukturer i mikroskala i stedet.

"Vårt teams innsats kan bringe USA et stort skritt nærmere et grønnere og mer bærekraftig transportlandskap." — Gui-Liang Xu, kjemiker i Argonnes avdeling for kjemivitenskap og ingeniørfag

En annen viktig teknikk, utviklet ved Xiamen University, tillot teamet å visualisere elektrode-elektrolytt-grensesnittet på nanoskala mens en testcelle jobbet. Denne nyoppfunne teknikken bidro til å koble endringer på nanoskala til oppførselen til en operasjonscelle.

"Basert på vår spennende oppdagelse, vil vi gjøre mer forskning for å designe enda bedre svovelkatoder," bemerket Xu. "Det ville også være verdt å undersøke om denne mekanismen gjelder andre neste generasjons batterier, for eksempel natrium-svovel."

Med dette lagets siste gjennombrudd ser fremtiden for litium-svovel-batterier lysere ut, og tilbyr en mer bærekraftig og miljøvennlig løsning for transportindustrien.

En artikkel om denne forskningen dukket opp i Nature. I tillegg til Xu inkluderer forfattere 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 deltakende institusjoner inkluderer Xiamen University, Beijing University of Chemical Technology og Nanjing University. Argonne-forskningen ble støttet av DOE Office of Vehicle Technologies i Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

Om Advanced Photon Source

US Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source (APS) ved Argonne National Laboratory er et av verdens mest produktive røntgenlyskilder. APS gir røntgenstråler med høy lysstyrke til et mangfoldig samfunn av forskere innen materialvitenskap, kjemi, kondensert materiellfysikk, bio- og miljøvitenskap og anvendt forskning. Disse røntgenstrålene er ideelle for utforskning av materialer og biologiske strukturer; elementær fordeling; kjemiske, magnetiske, elektroniske tilstander; og et bredt spekter av teknologisk viktige tekniske systemer fra batterier til drivstoffinjektorer, som alle er grunnlaget for nasjonens økonomiske, teknologiske og fysiske velvære. Hvert år bruker mer enn 5,000 forskere APS til å produsere over 2,000 publikasjoner som beskriver virkningsfulle funn, og løse mer vitale biologiske proteinstrukturer enn brukere av noe annet røntgenforskning. APS-forskere og ingeniører innoverer teknologi som er kjernen i fremskridende akselerator- og lyskildedrift. Dette inkluderer innsettingsenhetene som produserer røntgenstråler med ekstrem lysstyrke verdsatt av forskere, linser som fokuserer røntgenstrålene ned til noen få nanometer, instrumentering som maksimerer måten røntgenstrålene samhandler med prøver som studeres, og programvare som samles og administrerer den enorme mengden data som følge av oppdagelsesforskning ved APS.

Denne undersøkelsen brukte ressurser fra Advanced Photon Source, et US DOE Office of Science User Facility, som drives av DOE Office of Science av Argonne National Laboratory under kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357.

####

Om DOE/Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory søker løsninger på presserende nasjonale problemer innen vitenskap og teknologi. Nasjonens første nasjonale laboratorium, Argonne, driver ledende grunnleggende og anvendt vitenskapelig forskning i praktisk talt alle vitenskapelige disipliner. Argonne-forskere jobber tett med forskere fra hundrevis av selskaper, universiteter og føderale, statlige og kommunale etater for å hjelpe dem med å løse deres spesifikke problemer, fremme USAs vitenskapelige lederskap og forberede nasjonen for en bedre fremtid. Med ansatte fra mer enn 60 nasjoner administreres Argonne av UChicago Argonne, LLC for US Department of Energy's Office of Science.

US Department of Energy's Office of Science er den største enkeltstående støttespilleren for grunnforskning innen fysiske vitenskaper i USA og jobber med å løse noen av de mest presserende utfordringene i vår tid. For mer informasjon, besøk https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Diana Andersen
DOE / Argonne nasjonale laboratorium

Copyright © DOE/Argonne National Laboratory

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke:

Relaterte linker

ARTIKKELTITEL

Relaterte nyheter Press

Nyheter og informasjon

Chung-Ang University-forskere utvikler ny DNA-biosensor for tidlig diagnose av livmorhalskreft: Den elektrokjemiske sensoren, laget av en grafittisk nano-løk/molybdendisulfid-nanoarkkompositt, oppdager humant papillomavirus (HPV)-16 og HPV-18, med høy spesifisitet September 8th, 2023

Ny forbindelse frigjør immunsystemet på metastaser September 8th, 2023

Maskinlæring bidrar til bedre kvantefeilkorreksjon September 8th, 2023

Tester finner ingen frittstående nanorør frigjort fra dekkslitasje September 8th, 2023

Kvante får forskere til å se det usynlige September 8th, 2023

Imaging

Kvante får forskere til å se det usynlige September 8th, 2023

USTC oppnådde dynamisk avbildning av grenseflateelektrokjemi August 11th, 2023

Oppdagelse kan føre til terahertz-teknologi for kvanteregistrering: Metalloksidets egenskaper kan muliggjøre et bredt spekter av terahertz-frekvensfotonikk Juli 21st, 2023

Helsebildet: Virginia Tech-forskere forbedrer bioimaging og sansing med kvantefotonikk Juni 30th, 2023

Laboratories

Ny katalysator kan dramatisk kutte metanforurensning fra millioner av motorer: Forskere demonstrerer en måte å fjerne den kraftige drivhusgassen fra eksosen til motorer som brenner naturgass. Juli 21st, 2023

En ikke-kovalent bindingsopplevelse: Forskere oppdager nye strukturer for unike hybridmaterialer ved å endre deres kjemiske bindinger Juli 21st, 2023

Avduking av kvantedansen: Eksperimenter avslører sammenhengen mellom vibrasjons- og elektronisk dynamikk: Kobling av elektronisk og kjernefysisk dynamikk avslørt i molekyler med ultraraske lasere og røntgenstråler Juli 21st, 2023

Govt.-Lovgivning / forskrift / Funding / Regler

Kvante får forskere til å se det usynlige September 8th, 2023

Kloridioner fra sjøvann eyed som mulig litiumerstatning i fremtidens batterier August 11th, 2023

Tatoveringsteknikk overfører gullnanomønstre til levende celler August 11th, 2023

Nåtiden og fremtiden til databehandling får et løft fra ny forskning Juli 21st, 2023

Mulige futures

Chung-Ang University-forskere utvikler ny DNA-biosensor for tidlig diagnose av livmorhalskreft: Den elektrokjemiske sensoren, laget av en grafittisk nano-løk/molybdendisulfid-nanoarkkompositt, oppdager humant papillomavirus (HPV)-16 og HPV-18, med høy spesifisitet September 8th, 2023

Ny forbindelse frigjør immunsystemet på metastaser September 8th, 2023

Maskinlæring bidrar til bedre kvantefeilkorreksjon September 8th, 2023

Tester finner ingen frittstående nanorør frigjort fra dekkslitasje September 8th, 2023

funn

Elektronisk deteksjon av DNA nanoballer muliggjør enkel patogendeteksjon Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Trening av kvantedatamaskiner: fysikere vinner prestisjetunge IBM Award September 8th, 2023

Å låse opp kvantepotensiale: Utnytte høydimensjonale kvantetilstander med QDs og OAM: Generering av nesten deterministiske OAM-baserte sammenfiltrede tilstander tilbyr en bro mellom fotoniske teknologier for kvantefremskritt September 8th, 2023

Tester finner ingen frittstående nanorør frigjort fra dekkslitasje September 8th, 2023

Kunngjøringer

Elektronisk deteksjon av DNA nanoballer muliggjør enkel patogendeteksjon Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Trening av kvantedatamaskiner: fysikere vinner prestisjetunge IBM Award September 8th, 2023

Maskinlæring bidrar til bedre kvantefeilkorreksjon September 8th, 2023

Tester finner ingen frittstående nanorør frigjort fra dekkslitasje September 8th, 2023

Automotive / Transport

Tester finner ingen frittstående nanorør frigjort fra dekkslitasje September 8th, 2023

Ny katalysator kan dramatisk kutte metanforurensning fra millioner av motorer: Forskere demonstrerer en måte å fjerne den kraftige drivhusgassen fra eksosen til motorer som brenner naturgass. Juli 21st, 2023

Forskere utvikler innovativt verktøy for å måle elektrondynamikk i halvledere: Innsikt kan føre til mer energieffektive brikker og elektroniske enheter Mars 3rd, 2023

Beyond lithium: et lovende katodemateriale for oppladbare magnesiumbatterier: Forskere oppdager den optimale sammensetningen for en sekundær batterikatode av magnesium for å oppnå bedre syklus og høy batterikapasitet Februar 10th, 2023

Batteriteknologi / kondensatorer / generatorer / piezoelektrisk / termoelektrisk / energilagring

Chung-Ang University-forskere utvikler ny DNA-biosensor for tidlig diagnose av livmorhalskreft: Den elektrokjemiske sensoren, laget av en grafittisk nano-løk/molybdendisulfid-nanoarkkompositt, oppdager humant papillomavirus (HPV)-16 og HPV-18, med høy spesifisitet September 8th, 2023

Kloridioner fra sjøvann eyed som mulig litiumerstatning i fremtidens batterier August 11th, 2023

Grafenbaserte karbokatalysatorer: syntese, egenskaper og anvendelser – utover grenser Juni 9th, 2023

Kanalisering av mekanisk energi i en foretrukket retning April 14th, 2023

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• ChartPrime. Hev handelsspillet ditt med ChartPrime. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392