Nanokomposit‑elektrokatalysatorer kan omdefiniera litium‑svavelbatterier med 5 minuters laddningstider

Från litiumjon till litiumsvavel

Litiumjonbatterier har hittills dominerat batterimarknaden. Detta beror både på hög energitäthet och ett försprång från att vara allmänt använda och producerade för den elektroniska konsumentmarknaden.

När de tillämpas på andra användningsområden började begränsningarna i litiumjonbatteriers kapacitet att visa sig. Till exempel är litiumjonbatterier relativt långsamma att ladda, och även om snabbladdning är möjlig tenderar den att skada batteriets livslängd.

Långsam laddning har varit ett ständigt problem för elbilsägare och nämns ofta som en anledning till att människor vägrar att anta elbilar.

Eftersom elbilar nu är den största konsumenten av batterier efter effektkapacitet, kan ny batterikemi som laddar snabbare snabbt bli populär och konkurrera med litiumjondesigner.

En sådan lovande ny kemi är litium‑svavelbatterier. Tidigare designer var ännu långsammare att ladda än litiumjon, men nya nanomaterial kan göra att en elbil med litium‑svavel kan laddas på bara 5 minuter.

Fördelar och utmaningar med litium‑svavel

Den nya litium‑svavelbatteriteknologin upptäcktes av forskare vid kinesiska och australiensiska universitet och forskningsinstitut (Adelaide, Tianjin, ANSTO och Tsinghua) och publicerades i Nature Nanotechnology under titeln “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Litium‑svavelbatterier har länge varit kända för att erbjuda fantastisk energitäthet, mer än dubbelt så mycket energi som klassiska litiumjonbatterier när de mäts i Wh/kg (specifik energi), samt överlägsen prestanda när de mäts i Wh/L (specifik kapacitet).

Källa: Vertex Holdings

De viktigaste problemen som hittills har hindrat prototyper av litium‑svavelbatterier från att bli allmänt antagna är kort livslängd (1/3 av litiumjon) och mycket långsam laddningshastighet, vilket kräver 1–10 timmar för en full laddning.

Något som uppenbart är oacceptabelt för elbilar, där användare redan klagar på 20–30 minuter med litiumjon.

(Vi diskuterade många alternativa kemier till litiumjon i vår referensartikel “Framtiden för mobilitet – Batteriteknik”).

Litium‑svavelns begränsningar har plötsligt förändrats tack vare den senaste upptäckten som publicerades i Nature, med en ny litium‑svaveldesign som lovar häpnadsväckande prestanda:

• Livslängd på minst 1 000 cykler, liknande litiumjon.
• Specifik energi på 1 306 Wh/kg, 10 gånger mer än litiumjon, och till och med överlägsen de flesta solid‑state‑batteridesigner.
• Laddnings-/urladdningscykel på mindre än 5 minuter.

Bygga litium‑svavelbatterier på nanoskal

Så, hur lyckades forskarna bygga det som verkar vara det perfekta batteriet?

Först undersökte de på atom‑/kvantnivå svavelreduceringsreaktionen (SRR), den nyckeldel som styr laddnings‑/urladdningshastigheten. För att uppnå detta använde de en partikelaccelerator (Australian Synchrotron, ANSTO) för att bestämma den exakta atomorbitalbeläggningen (elektronernas position runt svavelatomen) i metallbaserade katalysatorer.

Beväpnade med dessa aldrig tidigare analyserade data lyckades de förutsäga hastigheten och processen för svavelreduceringsreaktionen (SRR) med hög precision.

Med denna prediktiva modell i handen designade de sedan nanokomposit‑elektrokatalysatorer, gjorda av kol och flera olika legeringar av metall‑elektrokatalysatorer såsom järn, kobolt, nickel, koppar och zink.

Till slut valdes en legering av kobolt och zink, med de anmärkningsvärda prestanda som förklarats ovan.

Vad blir nästa?

Utvecklingen av en sådan “superbatteri” kan bli en brytpunkt i elektrifieringen av våra energisystem, från transport till massadoption av förnybar energi som kräver kraftfulla storskaliga batterier.

Det är dock fortfarande tidigt, och några frågor måste besvaras innan litium‑svavelbatterier tar över.

Sällsynta material

Litiumjonbatterier och elbilstillverkare har i åratal försökt att gå bort från koboltbaserade designer. Detta beror på att kobolt är en sällsynt mineral, och dess huvudsakliga källa har varit Kongo, där koboltproduktionen har kopplats till barn‑ och slavarbete samt generella människorättsbrott.

Således måste nanoklustret av kobolt‑zink som används i elektrokatalysatorn också hantera detta problem.

Kostnader

Höga materialkostnader är en annan anledning till att industrin går bort från koboltbaserade designer till förmån för batterier som använder solid‑state, litium‑järn‑fosfat (LFP) eller natrium‑jon.

Detta kan alltså vara ett problem för koboltbaserade litium‑svavelbatterier. Även om de är mycket mer effektiva och energitäta än litiumjon.

Samtidigt innebär en extremt hög specifik energi att färre batterier behövs för samma elbilsräckvidd.

Detta minskar i sin tur avsevärt vikten på elbilen, eftersom batterier för närvarande utgör mer än 25 % av fordonets vikt. Lägre vikt ökar räckvidden ännu mer.

De verkliga avgörande faktorerna blir priset per Wh för litium‑svavelbatterier och hur mycket lägre batteripaketets vikt kan bli.

Massproduktion

Det senaste decenniet har sett många innovativa material och designer inom batteriteknik. Men att omvandla en laboratorie‑tillverkad myntcell till ett batteripaket, och sedan skapa en fabriks‑skalig process för att producera dem, är inte trivialt.

Till exempel, kommersialiseringsdatumet för solid‑state‑batterier har upprepade gånger skjutits upp år efter år av QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG osv. (QS )

Det beror inte på att tekniken inte fungerar, utan på att massproduktion i skala av solid‑state‑batterier, utan kvalitetsproblem och till låga kostnader, har visat sig vara mycket utmanande.

Således finns det sannolikt fortfarande många steg kvar innan denna litium‑svavelprototyp kan bli ett kommersiellt batteri.

Slutsats

Batterier har varit svagpunkten för elbilar sedan starten, något som sakta löses genom enorma forskningsinsatser från universitet världen över, samt industriledare som CATL, Telsa, LG osv.

Det är oklart vilken design eller kemi som slutligen kommer att segra. Den starkaste konkurrenten verkar vara solid‑state‑batterier, och litium‑svavel kan bli den batterigeneration som kommer efter solid‑state‑kommersialiseringen.

LFP och natrium‑jon kan också finnas för tillämpningar och produkter som fokuserar på låga kostnader istället för hög prestanda.

Och naturligtvis, kanske ännu mer exotiska designer för storskaliga batterier med mycket olika krav jämfört med elbilar, såsom järn‑luft, redox, gravitations‑ eller betongbatterier som vi diskuterade i våra artiklar “Framtiden för energilagring – Storskaliga batteriteknik” och “Icke‑kemiska alternativ till batterier för energitransitionen”.

I vilket fall som helst tenderar framtiden för energisystem mot mass‑elektrifiering. Och batteritekniken utvecklas mycket snabbt, vilket sannolikt kommer att avlägsna det sista hindret för massadoption av elbilar och förnybar energi.