211service.com
Gensyn med lithium-svovlbatterier
Lithium-svovl-batterier, som potentielt kan lagre flere gange mere energi end lithium-ion-batterier, har historisk set været for dyre, usikre og upålidelige at fremstille kommercielt. Men de får et nyt udseende nu på grund af nogle nylige fremskridt. Forbedringer af designet af disse batterier har ført til den kemiske gigant BASF fra Ludwigshafen, Tyskland, at slå sig sammen med Sion Power , et firma i Tucson, AZ, der allerede har udviklet prototype lithium-svovl battericeller.
Svovlkraft: Denne prototype lithium-svovl batteri blev udviklet af Sion Power. I samarbejde med BASF har virksomheden til hensigt at forbedre batteridesignet til brug i elektriske køretøjer.
Sammenlignet med eksisterende teknologier, der bruges i elektriske køretøjer, er planen at øge køreafstanden mindst 5 til 10 gange for et batteri i en given størrelse, siger Thomas Weber, administrerende direktør for et datterselskab af BASF kaldet BASF Future Business . Andre eksperter siger, at en tredobbelt forbedring er et mere rimeligt skøn, men det ville stadig være et imponerende spring i ydeevnen. Weber siger, at BASFs ekspertise inden for materialer vil hjælpe Sion Power med at forbedre sin teknologi yderligere og bringe den hurtigere på markedet. Han afviste dog at give detaljer om arrangementet, herunder hvor mange penge der er involveret, og hvordan virksomhederne vil dele eventuelle overskud.
Lithium-svovl-batterier har en elektrode lavet af lithium og en anden lavet af svovl, der typisk er parret med kulstof. Som med lithium-ion-batterier involverer opladning og afladning af batteriet bevægelse af lithium-ioner mellem de to elektroder. Men den teoretiske kapacitet af lithium-svovl-batterier er højere end for lithium-ion-batterier på grund af den måde, hvorpå ionerne assimileres ved elektroderne. For eksempel ved svovlelektroden kan hvert svovlatom være vært for to lithiumioner. Typisk, i lithium-ion-batterier, for hvert værtsatom, kan kun 0,5 til 0,7 lithium-ioner rummes, siger smukke nazar , professor i kemi ved University of Waterloo.
Det har været en udfordring at lave materialer, der udnytter denne højere teoretiske kapacitet. Et stort problem har været, at svovl er et isolerende materiale, hvilket gør det svært for elektroner og ioner at bevæge sig ind og ud. Så mens hvert svovlatom i teorien kan være vært for to lithiumioner, accepterer faktisk ofte kun de svovlatomer nær overfladen af materialet lithiumioner.
Et andet problem er, at da svovlet binder sig til lithiumioner og til sidst danner dilithiumsulfid, danner det en række mellemprodukter kaldet polysulfider. Disse opløses i batteriets flydende elektrolyt og kan til sidst sætte sig i andre områder af batteriet, hvor de kan blokere for opladning og afladning. På grund af dette kan batteriet helt stoppe med at fungere efter kun et par dusin cyklusser.
Hvad mere er, præsenterer lithiummetalelektroden potentielle sikkerhedsproblemer. For eksempel kan lithiumelektroden under brug vokse grenlignende strukturer, der øger cellens impedans, hvilket får den til at varme op. Til sidst kan disse strukturer forårsage en kortslutning. Hvis batteriet varmer op, kan metallet smelte. Hvis det smeltede lithium siver ud af cellen og kommer i kontakt med vand, kan det starte en brand. Batteriets elektrolyt kan også gå i brand.
Selvom han afviste at give detaljer, siger Weber, at disse sikkerhedsproblemer er blevet løst. BASFs mål er at forbedre materialerne yderligere for at få adgang til mere af deres teoretiske kapacitet, noget han siger, at virksomheden har en klar plan for at gøre.
Med hensyn til at løse sikkerhedsproblemer kan tre fremskridt forklare Webers tillid. Metoder til kemisk behandling af lithiummetalelektroder kan forhindre i det mindste en vis dendritdannelse, selvom ikke alle forskere er overbevist om, at denne tilgang vil være tilstrækkelig. Også forbedrede polymer- og keramiske membraner, der adskiller de to elektroder og modstår at blive gennemboret af dendritterne, kunne forhindre kortslutninger. Batterierne kan dog stadig være sårbare over for kortslutning, hvis de er beskadiget. For at forhindre elektrolytbrande siger Nazar, at mindre flygtige elektrolytter kunne bruges med lithium-svovl-batterier, fordi de har lavere spænding end lithium-ion-batterier.
Andre problemer, herunder lav ledningsevne og et begrænset antal genopladningscyklusser, ser ud til at være blevet behandlet i det mindste delvist af Sion Power. Virksomheden har produceret celler, der lagrer mere end dobbelt så meget energi som lithium-ion-batterier, der er tilgængelige i dag, noget BASF håber at forbedre. Og Weber siger, at batterierne kan holde hele en bils levetid, selvom dette kan være baseret på fremskrivninger fra Sion Power, snarere end målt ydeevne.
John Kopera, Sion Powers direktør for kommerciel drift, siger, at virksomhedens nuværende batterier er normeret til 50 cyklusser, og at det har en omfattende plan for at nå omkring 1.000 cyklusser. (Det er nok til så meget som 300.000 miles af kørsel med en batteripakke, der giver en rækkevidde på 300 miles.)
Begge virksomheder holder detaljer om deres fremskridt for sig selv. Men i denne uge i journalen Naturmaterialer, Nazar beskrev en mulig tilgang til at løse disse problemer. Tidligere har forskere forbedret ledningsevnen ved at kombinere svovl med kulstof. Nazar gik et skridt videre ved at tage elektroder sammensat af kulstofrør med jævne mellemrum og gøre dem blot et par nanometer brede. (Deres struktur er forskellig fra kulstofnanorørs.) Nazars team pakkede derefter svovl ind i mellemrummene på nanoskalaen mellem disse rør, så de fleste af svovlatomerne sidder tæt på ledende kulstof, hvilket gjorde dem tilgængelige for både elektroner og lithiumioner.
Kulstofrørene hjalp også med at løse problemet med polysulfider, som kan dræbe en celle for tidligt. Kulstofrørene fanger effektivt polysulfiderne på plads, indtil de er fuldstændigt omdannet til dilithiumsulfid, som ikke forgifter batteriet. Belægning af kulstoffet med en polymer, der har en affinitet til polysulfider, hjælper også med at holde dem på plads. Men det er ikke klart, om BASF også kan prøve en nanostruktureret elektrode for at forbedre Sions materialer. Hidtil har Sion Power ikke brugt nanostrukturerede materialer, siger Kopera. En udfordring med Nazars tilgang er, at det bliver svært at fremstille kulstofrørelektroderne i store mængder.
Nogle problemer er sandsynligvis tilbage. For det første kan batterierne være dyre - lithiummetal er den dyreste form for lithium. Desuden er der endnu ikke faste data tilgængelige om, hvor mange genopladningscyklusser batterierne kan gennemgå, og hvordan de reagerer på sikkerhedstests. Alligevel, siger Nazar, er teknologien bestemt nået langt. Vores og et par andre virksomheders udvikling gør det helt sikkert muligt, at det er meget tættere på virkeligheden.