Litium-svavelbatterier

Utveckling av funktionella bindemedel

Bindemedel är polymera material som används vid elektrodproduktion för att kombinera det aktiva materialet och andra komponenter för att bilda en mekaniskt stabil kompositelektrod. Trots sin lilla viktandel spelar bindemedel en viktig roll i litium-svavelbatterier på grund av systemets unika "katolytiska" natur. Det aktiva materialet, svavel, blir lösligt i de vanliga elektrolyterna när det reduceras till Li2Sx (x=2–8), som kallas "polysulfider". Om bindemedlet sväller i elektrolyten kan dess funktionella grupper interagera med de lösliga polysulfiderna, vilket resulterar i högre svavelutnyttjande och kapacitetsbevarande av cellen.

Figur 1. Olika bindemedel interagerar med polysulfidlösningen på olika sätt. Fotot visas i gråskala för bättre kontrast.

Gränssnittsstudie på litiumelektroden

Metalliskt litium anses vara det ultimata negativa elektrodmaterialet för Li-batterier på grund av dess låga reduktionspotential och höga specifika kapacitet. Dess höga reaktivitet och inhomogena avdragnings-/pläteringsbeteende utgör dock ett hot mot batteriets säkerhet och livslängd. Detta problem förvärras i litium-svavelbatterier av systemets ovan nämnda katolytkaraktär. Lösliga aktiva material i elektrolyten kan reagera med litium, vilket resulterar i självurladdning. En stabil och skyddande gränsyta mellan litium och elektrolyten är nödvändig för att undvika sådant avfall i aktiva material. Mekanismen för bildandet av passiveringsskiktet på litium och dess effekt på den elektrokemiska prestandan är vår pågående forskning.

Figur 2. Hur ytan på litiumelektroden förändras efter montering av ett Li-S-batteri.

Elektrokemisk karakterisering i realtid

På grund av den komplexa reaktionsmekanismen kan cellresistansen hos ett litium-svavelbatteri variera avsevärt under urladdning eller laddning. För att studera hur de experimentella parametrarna påverkar de elektrokemiska egenskaperna har vår grupp utvecklat en icke-störande metod för resistansmätning – som kallas Intermittent Current Interruption (ICI)-metoden. Våra senaste resultat visar att ICI-metoden kan undersöka både de interna och diffusionsmotstånden, vilket är särskilt användbart i kombination med andra operando-karakteriseringstekniker, t.ex. operando XRD.

Figur 3. Tillsammans med operando XRD avslöjar diffusionsmotståndet transportegenskaperna hos den porösa matrisen av svavel/kolkompositelektroden.

Referenser

Bindningsmaterial

1. Lacey, M. J., Österlund, V., Bergfelt, A., Jeschull, F., Bowden, T., & Brandell, D. (2017). A Robust, Water-Based, Functional Binder Framework for High-Energy Lithium-Sulfur Batteries. ChemSusChem, 10(13), 2758–2766. https://doi.org/10.1002/cssc.201700743
2. Lacey, M. J., Jeschull, F., Edström, K., & Brandell, D. (2014). Porosity Blocking in Highly Porous Carbon Black by PVdF Binder and Its Implications for the Li-S System. Journal of Physical Chemistry C, 118(45), 25890–25898. https://doi.org/10.1021/jp508137m

Litiumelektroder

1. Lacey, M. J., Yalamanchili, A., Maibach, J., Tengstedt, C., Edström, K., & Brandell, D. (2016). The Li–S battery: an investigation of redox shuttle and self-discharge behaviour with LiNO3-containing electrolytes. RSC Adv., 6(5), 3632–3641. https://doi.org/10.1039/C5RA23635E

Elektrokemisk karakterisering i realtid

1. Chien, Y.-C., Menon, A. S., Brant, W. R., Brandell, D., & Lacey, M. J. (2020). Simultaneous Monitoring of Crystalline Active Materials and Resistance Evolution in Lithium–Sulfur Batteries. Journal of the American Chemical Society, 142(3), 1449–1456. https://doi.org/10.1021/jacs.9b11500
2. Lacey, M. J. (2017). Influence of the Electrolyte on the Internal Resistance of Lithium−Sulfur Batteries Studied with an Intermittent Current Interruption Method. ChemElectroChem, 4(8), 1997–2004. https://doi.org/10.1002/celc.201700129