Nanotechnology Now – Pressmeddelande: Tidigare okänd väg till batterier med hög energi, låg kostnad och lång livslängd: Nyupptäckt reaktionsmekanism övervinner snabb prestandanedgång i litium-svavelbatterier

Hem > Presse > Tidigare okänd väg till batterier med hög energi, låg kostnad och lång livslängd: Nyupptäckt reaktionsmekanism övervinner snabb prestandanedgång hos litium-svavelbatterier

Olika reaktionsvägar från litiumpolysulfid (Li₂SXNUMX) till litiumsulfid (Li₂S) i litium-svavelbatterier med (vänster) och utan (höger) katalysator i svavelkatod. KREDITERA (Bild av Argonne National Laboratory.)

Sammanfattning:
Forskare upptäcker en överraskande väg till bättre litium-svavelbatterier genom att visualisera reaktioner på atomär skala.

Tidigare okänd väg till batterier med hög energi, låg kostnad och lång livslängd: Nyupptäckt reaktionsmekanism övervinner snabb prestandanedgång hos litium-svavelbatterier

Lemont, IL | Postat den 8 september 2023

Vägen från genombrott i labbet till praktisk teknik kan vara lång och krokig. Litium-svavelbatteriet är ett exempel. Det har anmärkningsvärda fördelar jämfört med nuvarande litiumjonbatterier som driver fordon. Men det har ännu inte gjort bucklor på marknaden trots intensiv utveckling under många år.

Den situationen kan förändras i framtiden tack vare ansträngningarna från forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. Under det senaste decenniet har de gjort flera avgörande upptäckter relaterade till litium-svavelbatterier. Deras senaste avslöjande, publicerad i Nature, låser upp en tidigare okänd reaktionsmekanism som åtgärdar en stor brist - batteriernas mycket korta livslängd.

Gui-Liang Xu, kemist vid Argonnes Chemical Sciences and Engineering-avdelning, sa att "Vårt teams ansträngningar kan föra USA ett stort steg närmare ett grönare och mer hållbart transportlandskap."

Litium-svavelbatterier erbjuder tre betydande fördelar jämfört med nuvarande litiumjonbatterier. För det första kan de lagra två till tre gånger mer energi i en given volym, vilket resulterar i längre fordonsräckvidder. För det andra, deras lägre kostnad, som underlättas av överflöd och överkomlighet av svavel, gör dem ekonomiskt lönsamma. Slutligen är dessa batterier inte beroende av kritiska resurser som kobolt och nickel, som kan möta brister i framtiden.

Trots dessa fördelar har övergången från laboratorieframgång till kommersiell lönsamhet visat sig svårfångad. Laboratorieceller har visat lovande resultat, men när de skalas upp till kommersiell storlek minskar deras prestanda snabbt med upprepad laddning och urladdning.

Den bakomliggande orsaken till denna prestandaförsämring ligger i upplösningen av svavel från katoden under urladdning, vilket leder till bildandet av lösliga litiumpolysulfider (Li2S6). Dessa föreningar strömmar in i den negativa litiummetallelektroden (anoden) under laddning, vilket ytterligare förvärrar problemet. Följaktligen hindrar förlusten av svavel från katoden och förändringar i anodsammansättningen avsevärt batteriets prestanda under cykling.

I en nyligen genomförd studie utvecklade Argonne-forskare ett katalytiskt material som, när det tillsattes i en liten mängd till svavelkatoden, i huvudsak eliminerade svavelförlustproblemet. Även om denna katalysator visade sig lovande i både laboratorie- och kommersiella celler, förblev dess arbetsmekanism i atomskala en gåta tills nu.

Teamets senaste forskning belyser denna mekanism. I frånvaro av katalysatorn bildas litiumpolysulfider vid katodytan och genomgår en serie reaktioner, som slutligen omvandlar katoden till litiumsulfid (Li2S).

"Men närvaron av en liten mängd katalysator i katoden gör hela skillnaden," sa Xu. "En mycket annorlunda reaktionsväg följer, en fri från mellanliggande reaktionssteg."

Nyckeln är bildandet av täta bubblor i nanoskala av litiumpolysulfider på katodytan, som inte uppträder utan katalysatorn. Dessa litiumpolysulfider sprids snabbt genom katodstrukturen under urladdning och omvandlas till litiumsulfid bestående av kristalliter i nanoskala. Denna process förhindrar svavelförlust och prestandanedgång i celler av kommersiell storlek.

När forskarna låste upp denna svarta låda runt reaktionsmekanismen använde forskarna banbrytande karaktäriseringstekniker. Analyser av katalysatorns struktur med de intensiva synkrotronröntgenstrålarna vid strållinjen 20-BM från Advanced Photon Source, en DOE Office of Science-användaranläggning, visade att den spelar en avgörande roll i reaktionsvägen. Katalysatorstrukturen påverkar formen och sammansättningen av slutprodukten vid utsläpp, såväl som mellanprodukterna. Med katalysatorn bildas nanokristallin litiumsulfid vid full urladdning. Utan katalysatorn bildas istället mikroskaliga stavformade strukturer.

"Vårt teams ansträngningar kan föra USA ett stort steg närmare ett grönare och mer hållbart transportlandskap." — Gui-Liang Xu, kemist vid Argonnes avdelning för kemivetenskap och teknik

En annan viktig teknik, utvecklad vid Xiamen University, gjorde det möjligt för teamet att visualisera elektrod-elektrolytgränssnittet på nanoskala medan en testcell arbetade. Denna nyuppfunna teknik hjälpte till att koppla förändringar på nanoskala till beteendet hos en operationscell.

"Baserat på vår spännande upptäckt kommer vi att göra mer forskning för att designa ännu bättre svavelkatoder," noterade Xu. "Det skulle också vara värt att undersöka om denna mekanism gäller för andra nästa generations batterier, som natrium-svavel."

Med detta lagets senaste genombrott ser framtiden för litium-svavelbatterier ljusare ut, och erbjuder en mer hållbar och miljövänlig lösning för transportindustrin.

En artikel om denna forskning publicerades i Nature. Förutom Xu inkluderar författare 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 och Hong-Gang Liao.

Andra deltagande institutioner inkluderar Xiamen University, Beijing University of Chemical Technology och Nanjing University. Argonne-forskningen stöddes 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's Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory är en av världens mest produktiva röntgenljuskällanläggningar. APS ger röntgenstrålar med hög ljusstyrka till en mångfald forskare inom materialvetenskap, kemi, kondenserad fysik, liv- och miljövetenskap och tillämpad forskning. Dessa röntgenstrålar är idealiska för utforskning av material och biologiska strukturer; elementfördelning; kemiska, magnetiska, elektroniska tillstånd; och ett brett utbud av tekniskt viktiga tekniska system från batterier till sprutor med bränsleinsprutare, som alla är grunden för vårt lands ekonomiska, tekniska och fysiska välbefinnande. Varje år använder mer än 5,000 2,000 forskare APS för att producera över XNUMX XNUMX publikationer med detaljerade upptäckter och lösa mer viktiga biologiska proteinstrukturer än användare av någon annan forskningsanläggning för röntgenljuskälla. APS-forskare och ingenjörer innoverar teknik som är kärnan i framåtgående accelerator- och ljuskälloperationer. Detta inkluderar insättningsanordningar som producerar röntgen med extremt ljusstyrka som forskare värderar, linser som fokuserar röntgenstrålarna ner till några nanometer, instrumentering som maximerar hur röntgenstrålarna interagerar med prover som studeras och programvara som samlas hanterar den enorma mängden data som härrör från upptäcktsforskning vid APS.

Denna forskning använde resurser från Advanced Photon Source, ett US DOE Office of Science User Facility som drivs för DOE Office of Science av Argonne National Laboratory under kontrakt nr DE-AC02-06CH11357.

####

Om DOE/Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory söker lösningar på pressande nationella problem inom vetenskap och teknik. Nationens första nationella laboratorium, Argonne bedriver ledande grundläggande och tillämpad vetenskaplig forskning inom praktiskt taget alla vetenskapliga ämnen. Argonne-forskare arbetar nära forskare från hundratals företag, universitet och federala, statliga och kommunala myndigheter för att hjälpa dem att lösa sina specifika problem, främja Amerikas vetenskapliga ledarskap och förbereda nationen för en bättre framtid. Med anställda från mer än 60 länder sköts Argonne av UChicago Argonne, LLC för US Department of Energy's Office of Science.

US Department of Energy's Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysik i USA och arbetar för att ta itu med några av de mest pressande utmaningarna i vår tid. För mer information besök https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

För mer information, klicka på här.

Kontaktpersoner:
Diana Andersson
DOE / Argonne National Laboratory

Copyright © DOE/Argonne National Laboratory

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke:

Relaterade länkar

ARTIKELRUBRIK

Relaterade nyheter Press

Nyheter och information

Chung-Ang University-forskare utvecklar en ny DNA-biosensor för tidig diagnos av livmoderhalscancer: Den elektrokemiska sensorn, gjord av en grafitisk nano-lök/molybdendisulfid-nanoarkkomposit, detekterar humant papillomvirus (HPV)-16 och HPV-18, med hög specificitet September 8th, 2023

Ny substans släpper lös immunförsvaret på metastaser September 8th, 2023

Maskininlärning bidrar till bättre kvantfelskorrigering September 8th, 2023

Tester hittar inga fristående nanorör som frigörs från däckslitage September 8th, 2023

Quantum driver forskare att se det osedda September 8th, 2023

Imaging

Quantum driver forskare att se det osedda September 8th, 2023

USTC uppnådde dynamisk avbildning av gränssnittselektrokemi Augusti 11th, 2023

Upptäckt kan leda till terahertz-teknik för kvantavkänning: metalloxidens egenskaper kan möjliggöra ett brett spektrum av terahertz-frekvensfotonik Juli 21st, 2023

Bilden av hälsa: Virginia Tech-forskare förbättrar bioavbildning och avkänning med kvantfotonik Juni 30th, 2023

laboratorier

Ny katalysator kan dramatiskt minska metanföroreningarna från miljontals motorer: Forskare visar ett sätt att ta bort den potenta växthusgasen från avgaserna från motorer som förbränner naturgas. Juli 21st, 2023

En icke-kovalent bindningsupplevelse: Forskare upptäcker nya strukturer för unika hybridmaterial genom att förändra deras kemiska bindningar Juli 21st, 2023

Avslöja kvantdansen: Experiment avslöjar sambandet mellan vibrationsdynamik och elektronisk dynamik: Koppling av elektronisk och nukleär dynamik som avslöjas i molekyler med ultrasnabba lasrar och röntgenstrålar Juli 21st, 2023

Govt.-Lagstiftning / förordning / finansiering / Policy

Quantum driver forskare att se det osedda September 8th, 2023

Kloridjoner från havsvatten ögon som möjlig litiumersättning i framtidens batterier Augusti 11th, 2023

Tatueringsteknik överför guldnanomönster till levande celler Augusti 11th, 2023

Datorns nutid och framtid får ett uppsving från ny forskning Juli 21st, 2023

Möjliga framtider

Chung-Ang University-forskare utvecklar en ny DNA-biosensor för tidig diagnos av livmoderhalscancer: Den elektrokemiska sensorn, gjord av en grafitisk nano-lök/molybdendisulfid-nanoarkkomposit, detekterar humant papillomvirus (HPV)-16 och HPV-18, med hög specificitet September 8th, 2023

Ny substans släpper lös immunförsvaret på metastaser September 8th, 2023

Maskininlärning bidrar till bättre kvantfelskorrigering September 8th, 2023

Tester hittar inga fristående nanorör som frigörs från däckslitage September 8th, 2023

upptäckter

Elektronisk detektering av DNA-nanobollar möjliggör enkel patogendetektering Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Utbildning av kvantdatorer: fysiker vinner prestigefyllda IBM Award September 8th, 2023

Låsa upp kvantpotential: Utnyttja högdimensionella kvanttillstånd med QDs och OAM: Generering av nästan deterministiska OAM-baserade intrasslade tillstånd erbjuder en brygga mellan fotoniska teknologier för kvantframsteg September 8th, 2023

Tester hittar inga fristående nanorör som frigörs från däckslitage September 8th, 2023

Meddelanden

Elektronisk detektering av DNA-nanobollar möjliggör enkel patogendetektering Peer-Reviewed Publication September 8th, 2023

Utbildning av kvantdatorer: fysiker vinner prestigefyllda IBM Award September 8th, 2023

Maskininlärning bidrar till bättre kvantfelskorrigering September 8th, 2023

Tester hittar inga fristående nanorör som frigörs från däckslitage September 8th, 2023

Fordon / Transport

Tester hittar inga fristående nanorör som frigörs från däckslitage September 8th, 2023

Ny katalysator kan dramatiskt minska metanföroreningarna från miljontals motorer: Forskare visar ett sätt att ta bort den potenta växthusgasen från avgaserna från motorer som förbränner naturgas. Juli 21st, 2023

Forskare utvecklar innovativa verktyg för att mäta elektrondynamik i halvledare: Insikter kan leda till mer energieffektiva chips och elektroniska enheter Mars 3rd, 2023

Bortom litium: ett lovande katodmaterial för uppladdningsbara magnesiumbatterier: Forskare upptäcker den optimala sammansättningen för en sekundär batterikatod av magnesium för att uppnå bättre cyklbarhet och hög batterikapacitet Februari 10th, 2023

Batteriteknik / Kondensatorer / Generatorer / Piezoelektrik / Termoelektrik / Energilagring

Chung-Ang University-forskare utvecklar en ny DNA-biosensor för tidig diagnos av livmoderhalscancer: Den elektrokemiska sensorn, gjord av en grafitisk nano-lök/molybdendisulfid-nanoarkkomposit, detekterar humant papillomvirus (HPV)-16 och HPV-18, med hög specificitet September 8th, 2023

Kloridjoner från havsvatten ögon som möjlig litiumersättning i framtidens batterier Augusti 11th, 2023

Grafenbaserade karbokatalysatorer: syntes, egenskaper och tillämpningar – bortom gränserna Juni 9th, 2023

Kanalisering av mekanisk energi i en föredragen riktning April 14th, 2023

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• ChartPrime. Höj ditt handelsspel med ChartPrime. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392