Para ilmuwan telah merancang dan menguji baterai lithium-sulfur all-solid dengan kepadatan energi kira-kira empat kali lipat dari teknologi lithium-ion konvensional.
Desain baterai ORNL, yang menggunakan sulfur elemental berbiaya rendah, juga mengatasi masalah mudah terbakar yang dialami oleh kimia lain.
"Pendekatan kami adalah perubahan total dari konsep baterai saat ini dari dua elektroda yang bergabung dengan elektrolit cair, yang telah digunakan selama 150 hingga 200 tahun terakhir," kata Chengdu Liang, penulis utama studi ORNL yang diterbitkan minggu ini di Angewandte Chemie Edisi Internasional.
Baterai lithium-sulfur serba baru yang dikembangkan oleh tim Laboratorium Nasional Oak Ridge yang dipimpin oleh Chengdu Liang memiliki potensi untuk mengurangi biaya, meningkatkan kinerja dan meningkatkan keselamatan dibandingkan dengan desain yang ada.
Para ilmuwan telah bersemangat tentang potensi baterai lithium-sulfur selama beberapa dekade, tetapi versi berskala besar dan tahan lama untuk aplikasi komersial telah terbukti sulit dipahami. Para peneliti terjebak dengan tangkapan-22 yang diciptakan oleh penggunaan elektrolit cair baterai: Di satu sisi, cairan membantu melakukan ion melalui baterai dengan membiarkan senyawa lithium polysulfide larut. Kelemahannya adalah proses pembubaran yang sama menyebabkan baterai rusak sebelum waktunya.
Tim ORNL mengatasi hambatan-hambatan ini dengan terlebih dahulu mensintesis kelas bahan yang kaya sulfur yang belum pernah dilihat sebelumnya yang menghantarkan ion serta oksida logam lithium yang secara konvensional digunakan dalam katoda baterai. Tim Liang kemudian menggabungkan katoda yang kaya akan sulfur dan anoda litium dengan bahan elektrolit padat, juga dikembangkan di ORNL, untuk menciptakan baterai yang padat energi dan serba padat.
"Pergeseran permainan-berubah dari elektrolit cair ke padat menghilangkan masalah pembubaran belerang dan memungkinkan kita untuk memenuhi janji baterai lithium-sulfur," kata Liang. "Desain baterai kami memiliki potensi nyata untuk mengurangi biaya, meningkatkan kepadatan energi, dan meningkatkan keamanan dibandingkan dengan teknologi lithium-ion yang ada."
Katoda konduktif-ion yang baru memungkinkan baterai ORNL untuk mempertahankan kapasitas 1.200 miliamp-jam (mAh) per gram setelah 300 siklus pengisian daya pada 60 derajat Celcius. Sebagai perbandingan, katoda baterai lithium-ion tradisional memiliki kapasitas rata-rata antara 140-170 mAh / g. Karena baterai lithium-sulfur menghasilkan sekitar setengah tegangan versi lithium-ion, peningkatan delapan kali lipat dalam kapasitas yang ditunjukkan dalam katoda baterai ORNL ini diterjemahkan menjadi empat kali kepadatan energi gravimetrik teknologi lithium-ion, jelas Liang.
Desain all-solid tim juga meningkatkan keamanan baterai dengan menghilangkan cairan elektrolit yang mudah terbakar yang dapat bereaksi dengan logam lithium. Keunggulan lain dari baterai ORNL adalah penggunaan elemen sulfur, produk sampingan industri yang banyak dari pemrosesan minyak bumi.
"Belerang praktis gratis," kata Liang. "Belerang tidak hanya menyimpan lebih banyak energi daripada senyawa logam transisi yang digunakan dalam katoda baterai lithium-ion, tetapi perangkat belerang-lithium dapat membantu mendaur ulang produk limbah menjadi teknologi yang bermanfaat."
Meskipun baterai baru tim masih dalam tahap demonstrasi, Liang dan rekan-rekannya berharap untuk melihat penelitian mereka bergerak cepat dari laboratorium ke aplikasi komersial. Paten pada desain tim sedang menunggu keputusan.
"Proyek ini merupakan sinergi antara sains dasar dan penelitian terapan," kata Liang. "Kami menggunakan penelitian mendasar untuk memahami fenomena ilmiah, mengidentifikasi masalah dan kemudian menciptakan bahan yang tepat untuk menyelesaikan masalah itu, yang mengarah pada keberhasilan perangkat dengan aplikasi dunia nyata."
Studi ini diterbitkan sebagai "Lithium Polysulfidophosphates: Keluarga Senyawa yang Menghasilkan Sulfur-Kaya yang Mengandung Lithium untuk Baterai Lithium-Sulfur," dan tersedia online di https://dx.doi.org/10.1002/anie.201300680. Selain Liang, rekan penulis adalah Zhan Lin dari ORNL, Zengcai Liu, Wujun Fu dan Nancy Dudney.
Melalui Laboratorium Nasional Oak Ridge