23/05/2017
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hebben nanodeeltjes uit een titaniumoxideverbinding (Ti4O7) met extreem grote oppervlakken geproduceerd en in lithium-zwavel (LiS) batterijen getest als kathodemateriaal.
Om elektrische energie compact op te slaan, vormen lithiumaccu's momenteel de beste oplossingen. In deze accu's verplaatsen Li-ionen zich tijdens het ontladen van de anode naar de kathode. Deze bestaat gewoonlijk uit dure en giftige verbindingen met zware metalen.
Lithium-zwavel-batterijen zijn een interessant alternatief. Hier bestaat de kathode niet uit een zwaar metaal maar uit zwavel, een goedkoop en ruim voorhanden materiaal. Als de Li-ionen tijdens het ontladen naar de kathode wandelen, vindt daar direct een reactie plaats waarbij lithiumsulfide (Li2S) wordt gevormd.
Een ongewenst neveneffect is echter het daarbij eveneens gevormde lithiumpolysulfide, waardoor in de loop van meerdere laadcycli de capaciteit van de batterij afneemt. Daarom werken onderzoekers wereldwijd aan verbeterde kathodematerialen die polysulfiden kunnen insluiten, bijvoorbeeld met nanodeeltjes uit titaniumdioxide (TiO2).
Nanodeeltjes met poriën
Het team aan het HZB heeft nu een kathodemateriaal geproduceerd dat duidelijk beter kan. Ook hier zorgen nanodeeltjes voor het insluiten van het zwavel. Ze bestaan echter uit niet titaandioxide maar uit Ti4O7-moleculen die een complexe structuur vormen. Ze zijn geordend alsof ze een kogel met poriën vormen. Deze poreuze nanodeeltjes binden polysulfiden duidelijk sterker dan de gangbare nanodeeltjes uit titaandioxide.
De onderzoekers hebben een speciale productiemethode ontwikkeld om deze complexe, driedimensionale poriënstructuur te creëren. In de eerste stap worden raamwerkstructuren uit polymeren gevormd die minuscule kogels met poreuze oppervlakken vormen. Deze raamwerkstructuren worden in volgende stappen voorbereid en in een oplossing van titaniumisopropoxide gedompeld. Door een aansluitende hittebehandeling wordt een laag uit Ti4O7 gevormd, waarbij het polymeer daaronder verdampt. In vergelijking met andere kathodematerialen uit titaniumoxide beschikken de Ti4O7-nanodeeltjes extreem grote oppervlakken.
Hoge specifieke capaciteit
Röntgenspectroscopische metingen (XPS) hebben aangetoond, dat zwavelverbindingen zich vastklampen aan de nanostructuuroppervlakken. Dit verklaart ook de hoge specifieke capaciteit van 1219 milliampère-uur (mAh) per gram bij 0,1 C (1 C = 1675 mA/g), die ook door herhaald laden en ontladen maar weinig afneemt (0,094 % per cyclus). Ter vergelijking: bij kathodematerialen uit TiO2-nanodeeltjes ligt deze specifieke capaciteit op 683 mAh/g. Om het geleidingsvermogen van het materiaal te verhogen, is een extra coating van de nanodeeltjes met koolstof mogelijk. Daarbij blijft de poreuze structuur behouden.
De onderzoekers hebben een jaar gewerkt aan een betrouwbare optimalisatie van deze synthese. Nu ze weten hoe het proces functioneert, willen ze het materiaal als dunne laag produceren. Wat in het laboratorium is gelukt, is in dit geval ook op industriële schaal mogelijk. Alle processen, van de colloïdchemie tot en met de dunnelaagtechnologie, zijn namelijk op te schalen.