Nanocomposiet-elektrocatalysatoren kunnen lithium-zwavelbatterijen heruitvinden met oplaadtijden van 5 minuten

Van lithium-ion naar lithium-zwavel

Lithium‑ionbatterijen hebben tot nu toe de batterijenmarkt gedomineerd. Dit komt door zowel de hoge energiedichtheid als een voorsprong doordat ze breed worden gebruikt en geproduceerd voor de consumentenelektronica.

Wanneer ze voor andere toepassingen worden gebruikt, begonnen de limieten van lithium‑ionbatterijen naar voren te komen. Bijvoorbeeld, lithium‑ionbatterijen laden relatief langzaam op, en hoewel snel opladen mogelijk is, schaadt dit doorgaans de levensduur van de batterij.

Langzaam opladen is een voortdurend probleem voor EV‑eigenaren en wordt vaak aangehaald als reden waarom mensen terughoudend zijn om elektrische voertuigen te adopteren.

Aangezien EV’s nu de grootste afnemers van batterijen zijn qua vermogenscapaciteit, zou een nieuwe batterijchemie die sneller oplaadt snel populair kunnen worden en kunnen concurreren met lithium‑ionontwerpen.

Een dergelijke veelbelovende nieuwe chemie zijn lithium‑zwavelbatterijen. Eerdere ontwerpen laadden zelfs nog langzamer op dan lithium‑ion, maar nieuwe nanomaterialen zouden een door lithium‑zwavel aangedreven EV in slechts 5 minuten kunnen opladen.

Lithium‑zwavel Voordelen & Uitdagingen

De nieuwe lithium‑zwavelbatterijtechnologie werd ontdekt door onderzoekers aan Chinese en Australische universiteiten en onderzoeksinstituten (Adelaide, Tianjin, ANSTO en Tsinghua) en gepubliceerd in Nature Nanotechnology onder de titel “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Lithium‑zwavelbatterijen staan al lange tijd bekend om hun verbluffende energiedichtheid, meer dan het dubbele van klassieke lithium‑ionbatterijen gemeten in Wh/kg (specifieke energie), en superieure prestaties gemeten in Wh/L (specifieke capaciteit).

Bron: Vertex Holdings

De belangrijkste problemen die tot nu toe de brede adoptie van lithium‑zwavelbatterijprototypes hebben tegengehouden, waren een korte levensduur (1/3 van lithium‑ion) en een zeer trage oplaadsnelheid, waarbij 1‑10 uur nodig is voor een volledige lading.

Iets dat duidelijk onaanvaardbaar is voor EV’s, waarbij gebruikers al klagen over de 20‑30 minuten bij lithium‑ion.

(We bespraken veel alternatieve chemieën voor lithium‑ion in ons referentie‑artikel “The Future of Mobility – Battery Tech”).

Lithium‑zwavelbeperkingen zijn plotseling veranderd dankzij de recente ontdekking gepubliceerd in Nature, met een nieuw lithium‑zwavelontwerp dat verbazingwekkende prestaties belooft:

• Levensduur van minstens 1.000 cycli, vergelijkbaar met lithium‑ion.
• Specifieke energie van 1.306 Wh/kg, 10x meer dan lithium‑ion, en zelfs superieur aan de meeste ontwerpen van solid‑state batterijen.
• Oplaad‑/ontlaadcyclus van minder dan 5 minuten.

Lithium‑zwavelbatterijen bouwen op nanoschaal

Dus, hoe slaagden de onderzoekers erin om te bouwen wat lijkt op de perfecte batterij?

Eerst onderzochten ze op atomair/kwantumniveau de zwavelreductiereactie (SRR), het cruciale onderdeel dat de oplaad‑/ontlaadsnelheid regelt. Om dit te bereiken, gebruikten ze een deeltjesversneller (Australian Synchrotron, ANSTO) om de exacte bezetting van atomaire orbitalen (de positie van elektronen rond het zwavelatoom) in metaalgebaseerde katalysatoren te bepalen.

Gewapend met deze nog nooit eerder geanalyseerde gegevens, slaagden ze erin de snelheid en het proces van de zwavelreductiereactie (SRR) nauwkeurig te voorspellen.

Met dit voorspellende model in de hand, ontwierpen ze vervolgens nanocomposiet‑elektrocatalysatoren, gemaakt van koolstof en verschillende legeringen van metalen elektrocatalysatoren zoals ijzer, kobalt, nikkel, koper en zink.

Uiteindelijk werd een legering van kobalt en zink geselecteerd, met de hierboven beschreven opmerkelijke prestaties.

Wat staat er op de agenda?

De ontwikkeling van zo’n “superbatterij” zou een keerpunt kunnen betekenen in de elektrificatie van onze energiesystemen, van transport tot massale adoptie van hernieuwbare energie die krachtige nuts‑schaal batterijen vereist.

Het is echter nog vroeg, en er moeten nog enkele vragen beantwoord worden voordat lithium‑zwavelbatterijen de overhand krijgen.

Zeldzame materialen

Lithium‑ionbatterijen & EV‑fabrikanten proberen al jaren af te stappen van ontwerpen die kobalt gebruiken. Dit komt doordat kobalt een zeldzaam mineraal is, en de belangrijkste bron Congo is, waar de kobaltproductie in verband wordt gebracht met kinder- en slavernijarbeid en over het algemeen mensenrechtenschendingen.

Dus, het kobalt‑zink nanocluster dat in de elektrocatalysator wordt gebruikt, zal ook met dat probleem moeten omgaan.

Kosten

Hoge materiaalkosten zijn een andere reden waarom de industrie afstapt van kobaltbased ontwerpen ten gunste van batterijen die solid‑state, lithium‑ijzer‑fosfaat (LFP), of natrium‑ion gebruiken.

Dit zou dus een probleem kunnen zijn voor kobalt‑gebaseerde lithium‑zwavelbatterijen. Zelfs als ze veel efficiënter en energie‑dichter zijn dan lithium‑ion.

Tegelijkertijd betekent een extreem hoge specifieke energie dat er minder batterijen nodig zijn voor hetzelfde EV‑bereik.

Dit vermindert op zijn beurt het gewicht van de EV aanzienlijk, aangezien batterijen momenteel meer dan 25 % van het gewicht van het voertuig uitmaken. Een lager gewicht vergroot het bereik nog verder.

De echte bepalende factoren zullen de prijs per Wh van lithium‑zwavelbatterijen zijn, en hoe veel lager het gewicht van het batterijpakket kan worden.

Massaproductie

Het afgelopen decennium heeft veel innovatieve materialen en ontwerpen in batterijtechnologie opgeleverd. Maar het omzetten van een in het laboratorium gemaakte muntcel naar een batterijpakket, en vervolgens een fabrieks‑schaal proces creëren om ze te produceren, is niet triviaal.

Bijvoorbeeld, de datum van commercialisering voor solid‑state batterijen is jaar na jaar herhaaldelijk uitgesteld door QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, enz. (QS )

Dit komt niet doordat de technologie niet werkt, maar omdat massaproductie op schaal van solid‑state batterijen, zonder kwaliteitsproblemen & tegen lage kosten, zeer uitdagend is gebleken.

Dus er liggen waarschijnlijk nog veel stappen voor ons om dit lithium‑zwavelprototype om te zetten in een commerciële batterij.

Conclusie

Batterijen zijn sinds het begin het zwakke punt van EV’s geweest, iets dat langzaam wordt opgelost door de enorme onderzoeksinspanningen van universiteiten wereldwijd, evenals industriële leiders zoals CATL, Telsa, LG, enz.

Het is onduidelijk welk ontwerp of welke chemie uiteindelijk zal zegevieren. De sterkste concurrent lijkt solid‑state batterijen te zijn, en lithium‑zwavel kan de generatie batterijen zijn die volgt op de commercialisatie van solid‑state.

LFP en natrium‑ion kunnen ook aanwezig zijn voor toepassingen en producten die gericht zijn op lage kosten in plaats van hoge prestaties.

En natuurlijk, misschien zelfs meer exotische ontwerpen voor nuts‑schaalbatterijen met zeer verschillende eisen vergeleken met EV’s, zoals ijzer‑lucht, redox, zwaartekracht, of betonnen batterijen die we bespraken in onze artikelen “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” en “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”.

In elk geval, de toekomst van energiesystemen neigt naar massale elektrificatie. En batterijtechnologie ontwikkelt zich zeer snel, wat waarschijnlijk de laatste belemmering zal wegnemen voor de massale adoptie van EV’s en hernieuwbare energie.