Nanokompositt‑elektrokatalysatorer kan omdefinere litium‑svovelbatterier med 5‑minutters ladetider

Fra litium‑ion til litium‑svovel

Litium‑ion‑batterier har hittil dominert batterimarkedet. Dette skyldes både høy energitetthet og et tidlig forsprang fra å være bredt brukt og produsert for forbrukerelektronikk.

Når de brukes til andre formål, begynte begrensningene i litium‑ion‑batteriers kapasitet å bli tydelige. For eksempel er litium‑ion‑batterier relativt trege å lade, og selv om hurtiglading er mulig, fører det ofte til at batteriets levetid reduseres.

Langsom lading har vært et vedvarende problem for elbil‑eiere og blir ofte nevnt som en grunn til at folk velger å ikke ta i bruk elbiler.

Ettersom elbiler nå er den største forbrukeren av batterier etter kraftkapasitet, kan ny batterikjemi som lader raskere raskt bli populær og konkurrere med litium‑ion‑design.

En slik lovende ny kjemi er litium‑svovelbatterier. Tidligere design var enda tregere å lade enn litium‑ion, men nye nanomaterialer kan få en litium‑svovel‑drevet elbil til å lade på bare 5 minutter.

Fordeler og utfordringer med litium‑svovel

Den nye litium‑svovel‑batteriteknologien ble oppdaget av forskere ved kinesiske og australske universiteter og forskningsinstitutter (Adelaide, Tianjin, ANSTO og Tsinghua) og publisert i Nature Nanotechnology under tittelen «Utvikling av høy‑ytelses Li||S‑batterier via overgangsmetall‑/karbon‑nanokompositt‑elektrokatalysator‑ingeniørkunst».

Litium‑svovelbatterier har lenge vært kjent for å tilby fantastisk energitetthet, mer enn dobbelt så mye energi som klassiske litium‑ion‑batterier når de måles i Wh/kg (spesifikk energi), og overlegen ytelse når de måles i Wh/L (spesifikk kapasitet).

Kilde: Vertex Holdings

De viktigste problemene som har hindret at prototyper av litium‑svovelbatterier blir bredt tatt i bruk så langt, har vært kort levetid (1/3 av litium‑ion) og svært langsom ladingshastighet, som krever 1–10 timer for full lading.

Noe som åpenbart er uakseptabelt for elbiler, når brukere allerede klager over 20–30 minutter med litium‑ion.

(Vi diskuterte mange alternative kjemier til litium‑ion i vår referanseartikkel «Fremtiden for mobilitet – Batteriteknologi».)

• Levetid på minst 1 000 sykluser, lik litium‑ion.
• Spesifikk energi på 1 306 Wh/kg, 10 ganger mer enn litium‑ion, og enda overlegen de fleste design av fast‑stoff‑batterier.
• Lade‑/utladningssyklus på under 5 minutter.

Bygging av litium‑svovelbatterier på nanoskala

Så, hvordan klarte forskerne å bygge det som ser ut til å være det perfekte batteriet?

Først undersøkte de på atom‑/kvantenivå svovelreduksjonsreaksjonen (SRR), den sentrale delen som styrer lade‑/utladningshastigheten. For å oppnå dette brukte de en partikkelakselerator (Australian Synchrotron, ANSTO) for å bestemme den eksakte atomorbital‑okupasjonen (posisjonen til elektronene rundt svovelatomet) i metallbaserte katalysatorer.

Bevæpnet med disse aldri før analyserte data klarte de å forutsi hastigheten og prosessen for svovelreduksjonsreaksjonen (SRR) nøyaktig.

Med denne prediktive modellen i hånden designet de deretter nanokompositt‑elektrokatalysatorer, laget av karbon og flere ulike legeringer av metall‑elektrokatalysatorer som jern, kobolt, nikkel, kobber og sink.

Til slutt ble en legering av kobolt og sink valgt, med de bemerkelsesverdige ytelsene som er forklart ovenfor.

Hva blir neste?

Utviklingen av en slik «superbatteri» kan bli et vendepunkt i elektrifiseringen av våre energisystemer, fra transport til masseadopsjon av fornybar energi som krever kraftige batterier i stor skala.

Det er imidlertid fortsatt tidlig, og noen spørsmål må besvares før litium‑svovelbatterier tar over.

Sjeldne materialer

Litium‑ion‑batterier og elbilprodusenter har i flere år forsøkt å gå bort fra design som bruker kobolt. Dette skyldes at kobolt er et sjeldent mineral, og hovedkilden har vært Kongo, hvor koboltproduksjon er knyttet til barne‑ og slavearbeid samt generelt brudd på menneskerettigheter.

Dermed vil nanoklystren av kobolt‑zink som brukes i elektrokatalysatoren også måtte håndtere dette problemet.

Kostnader

Høye materialkostnader er en annen grunn til at industrien beveger seg bort fra kobolt‑baserte design til fordel for batterier som bruker fast‑stoff, litium‑jern‑fosfat (LFP) eller natrium‑ion.

Dette kan derfor bli et problem for kobolt‑baserte litium‑svovelbatterier, selv om de er mye mer effektive og energitette enn litium‑ion.

Samtidig betyr en ekstremt høy spesifikk energi at færre batterier vil være nødvendig for samme rekkevidde på elbilen.

Dette reduserer igjen vekten på elbilen betydelig, ettersom batterier i dag utgjør mer enn 25 % av kjøretøyets vekt. Lavere vekt øker rekkevidden ytterligere.

De reelle avgjørende faktorene vil være prisen per Wh for litium‑svovelbatterier, og hvor mye vekten på batteripakken kan reduseres.

Masseproduksjon

Det siste tiåret har sett mange innovative materialer og design innen batteriteknologi. Men å omgjøre en laboratorie‑laget myntcelle til en batteripakke, og deretter skape en fabrikk‑skala prosess for å bygge dem, er ikke trivielt.

For eksempel har kommersialiseringsdatoen for fast‑stoff‑batterier blitt gjentatte ganger utsatt år etter år av QuantumScape (QS ), Volkswagen, Toyota, CATL, LG, osv.

Dette skyldes ikke at teknologien ikke fungerer, men at masseproduksjon i stor skala av fast‑stoff‑batterier, uten kvalitetsproblemer og til lave kostnader, har vist seg svært utfordrende.

Dermed er det sannsynlig at mange steg fortsatt gjenstår før denne litium‑svovel‑prototypen kan bli et kommersielt batteri.

Konklusjon

Batterier har vært svake punktet for elbiler siden starten, noe som sakte blir løst gjennom enorme forskningsinnsats fra universiteter over hele verden, samt industriledere som CATL, Telsa, LG, osv.

Det er uklart hvilken design eller kjemi som til slutt vil seire. Den sterkeste konkurrenten ser ut til å være fast‑stoff‑batterier, og litium‑svovel kan bli den batterigenerasjonen som kommer etter kommersialiseringen av fast‑stoff‑batterier.

LFP og natrium‑ion kan også være aktuelle for applikasjoner og produkter som fokuserer på lave kostnader i stedet for høy ytelse.

Og selvfølgelig, kanskje enda mer eksotiske design for batterier i stor skala med svært ulike krav sammenlignet med elbiler, som jern‑luft, redoks, gravitasjons‑ eller betongbatterier som vi diskuterte i våre artikler «Fremtiden for energilagring – Batterier i stor skala‑teknologi» og «Ikke‑kjemiske alternativer til batterier for energiovergangen».

Uansett peker fremtiden for energisystemer mot masse‑elektrifisering. Batteriteknologien utvikler seg svært raskt, noe som sannsynligvis vil fjerne den siste hindringen for masseadopsjon av elbiler og fornybar energi.