Nanokomposit Elektrokatalysatorer Kan Genopfinde Lithium‑svovl Batterier med 5‑Minutters Opladningstider

Fra Lithium‑ion til Lithium‑svovl

Lithium‑ion‑batterier har indtil videre domineret batterimarkedet.  Dette skyldes både høj energitæthed og et forspring fra at være bredt anvendt og produceret til forbrugerelektronik.

Når de anvendes til andre formål, begyndte begrænsninger i lithium‑ion‑batteriers kapacitet at vise sig. For eksempel er lithium‑ion‑batterier relativt langsomme at genoplade, og selvom hurtigopladning er mulig, har den en tendens til at beskadige batteriets levetid.

Langsom opladning har været et vedvarende problem for elbil‑ejere og nævnes ofte som en grund til, at folk afviser at tage elektriske køretøjer i brug.

Da elbiler nu er den største forbruger af batterier efter energikapacitet, kan ny batterikemi, der oplader hurtigere, hurtigt blive populær og konkurrere med lithium‑ion‑designs.

En sådan lovende ny kemi er lithium‑svovl‑batterier. Tidligere designs var endda langsommere at oplade end lithium‑ion, men nye nanomaterialer kan få en lithium‑svovl‑drevet elbil til at lade på kun 5 minutter.

Fordele og Udfordringer ved Lithium‑svovl

Den nye lithium‑svovl‑batteriteknologi blev opdaget af forskere ved kinesiske og australske universiteter og forskningsinstitutter (Adelaide, Tianjin, ANSTO og Tsinghua) og offentliggjort i Nature Nanotechnology under titlen “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Lithium‑svovl‑batterier har længe været kendt for at tilbyde en fantastisk energitæthed, mere end dobbelt så meget energi som klassiske lithium‑ion‑batterier målt i Wh/kg (specifik energi), samt overlegen ydeevne målt i Wh/L (specifik kapacitet).

Kilde: Vertex Holdings

De vigtigste problemer, der hidtil har forhindret prototyper af lithium‑svovl‑batterier i at blive bredt adopteret, har været kort levetid (1/3 af lithium‑ion) og meget langsom opladningshastighed, som kræver 1‑10 timer for en fuld opladning.

Noget åbenlyst uacceptabelt for elbiler, hvor brugerne allerede klager over de 20‑30 minutter med lithium‑ion.

(Vi diskuterede mange alternative kemier til lithium‑ion i vores referenceartikel “The Future of Mobility – Battery Tech”).

Lithium‑svovl‑begrænsninger har pludselig ændret sig takket være den seneste opdagelse offentliggjort i Nature, med et nyt lithium‑svovl‑design, der lover forbløffende ydeevne:

• Levetid på mindst 1.000 cyklusser, svarende til lithium‑ion.
• Specifik energi på 1.306 Wh/kg, 10 gange mere end lithium‑ion og endda overlegen i forhold til de fleste solid‑state‑batteridesigns.
• Opladnings-/afladningscyklus på under 5 minutter.

Bygning af Lithium‑svovl‑batterier på Nanoskala

Så, hvordan lykkedes det forskerne at bygge, hvad der ser ud til at være det perfekte batteri?

Først undersøgte de på atom‑/kvanteniveau svovlreduceringsreaktionen (SRR), den nøglekomponent der styrer opladnings‑/afladningshastigheden. For at opnå dette brugte de en partikelaccelerator (Australian Synchrotron, ANSTO) til at bestemme den præcise atomorbitalbesættelse (elektronernes placering omkring svovelatomet) i metalbaserede katalysatorer.

Bevæbnet med disse aldrig før analyserede data formåede de præcist at forudsige hastigheden og processen for svovlreduceringsreaktionen (SRR).

Med denne forudsigelsesmodel i hånden designede de derefter nanokomposit‑elektrokatalysatorer, fremstillet af kulstof og flere forskellige legeringer af metal‑elektrokatalysatorer som jern, kobolt, nikkel, kobber og zink.

Til sidst blev en legering af kobolt og zink valgt, med de bemærkelsesværdige præstationer som beskrevet ovenfor.

Hvad er det næste?

Udviklingen af en sådan “superbatteri” kan blive et vendepunkt i elektrificeringen af vores energisystemer, fra transport til masseadoption af vedvarende energi, der kræver kraftfulde net‑skala batterier.

Det er dog stadig tidligt, og nogle spørgsmål skal besvares, før lithium‑svovl‑batterier overtager markedet.

Sjældne Materialer

Lithium‑ion‑batterier og elbilproducenter har i årevis forsøgt at bevæge sig væk fra design, der bruger kobolt. Dette skyldes, at kobolt er et sjældent mineral, og den primære kilde har været Congo, hvor koboltproduktionen er forbundet med børne‑ og slavearbejde samt generelt menneskerettighedskrænkelser.

Således vil kobolt‑zink‑nanoklystren, der anvendes i elektrokatalysatoren, også skulle håndtere dette problem.

Omkostninger

Høje materialomkostninger er en anden grund til, at industrien bevæger sig væk fra koboltbaserede design til fordel for batterier, der bruger solid‑state, lithium‑jern‑fosfat (LFP) eller natrium‑ion.

Dette kan derfor være et problem for kobolt‑baserede lithium‑svovl‑batterier, selvom de er meget mere effektive og energitætte end lithium‑ion.

Samtidig betyder en ekstremt høj specifik energi, at færre batterier vil være nødvendige for den samme elbil‑rækkevidde.

Dette reducerer igen vægten af elbilen betydeligt, da batterier i øjeblikket udgør mere end 25 % af køretøjets vægt. Lavere vægt øger rækkevidden yderligere.

De reelle afgørende faktorer vil være prisen pr. Wh for lithium‑svovl‑batterier og hvor meget vægten af batteripakken kan reduceres.

Masseproduktion

Det seneste årti har set mange innovative materialer og designs inden for batteriteknologi. Men at omdanne en laboratorie‑lavet møntcelle til en batteripakke og derefter skabe en fabriksskala‑proces til at producere dem er ikke trivielt.

For eksempel, kommercialiseringsdatoen for solid‑state‑batterier er blevet gentagne gange udsat år efter år af QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG osv. (QS )

Dette skyldes ikke, at teknologien ikke fungerer, men at masseproduktion i stor skala af solid‑state‑batterier uden kvalitetsproblemer og til lave omkostninger har vist sig meget udfordrende.

Således er der sandsynligvis stadig mange trin foran i at omdanne denne lithium‑svovl‑prototype til et kommercielt batteri.

Konklusion

Batterier har været svagheden i elbiler siden deres begyndelse, noget der langsomt løses gennem enorme forskningsindsatser fra universiteter verden over samt industriledere som CATL, Tesla , LG osv.

Det er uklart, hvilket design eller hvilken kemi der i sidste ende vil sejre. Den stærkeste kandidat ser ud til at være solid‑state‑batterier, og lithium‑svovl kan blive den batterigeneration, der kommer efter solid‑state‑kommercialiseringen.

LFP og natrium‑ion kan også være relevante for anvendelser og produkter, der fokuserer på lave omkostninger i stedet for høj ydeevne.

Og selvfølgelig, måske endda mere eksotiske designs til net‑skala batterier med meget forskellige krav sammenlignet med elbiler, såsom jern‑luft, redox, gravitations‑ eller betonbatterier, som vi diskuterede i vores artikler “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” og “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”.

Under alle omstændigheder bevæger fremtiden for energisystemer sig mod masse‑elektrificering. Og batteriteknologien udvikler sig meget hurtigt, hvilket sandsynligvis vil fjerne den sidste hindring for masseadoption af elbiler og vedvarende energikilder.