Mesoporeuze koolstofkathode zorgt voor beter contact.

Canadese onderzoekers hebben octrooi aangevraagd op een nieuw type kathode voor lithium-zwavelbatterijen. Ze suggereren dat grootschalige toepassing van deze goedkope, veilige en vooral krachtige batterijtechnologie nu een stuk dichterbij is.

Bij het ontladen van een lithium-zwavelbatterij reageert zwavel (S₈) met lithium tot Li₂S₃. Dat gaat in stapjes: de tussen producten, zoals Li₂S₈ en Li₂S₄, worden polysulfiden genoemd. Opladen geeft uiteraard de omgekeerde reactie.

Per kilo gewicht kun je in zo’n batterij in theorie drie - tot vijfmaal zo veel elektrische energie opslaan als in de huidige lithium-ionbatterijen. Bovendien is zwavel goedkoper dan de metaaloxiden die in die Li-ionbatterijen worden verwerkt.

Hoewel verschillende bedrijven er al vele jaren mee bezig zijn, is het aantal praktijktoepassingen tot nu toe echter uiterst gering. Het probleem is vooral dat zwavel een isolator is, en dat het in de praktijk erg lastig is om voldoende ladingtransport tussen de kathode en de redoxreactie te krijgen.

In Nature Materials leggen de Canadezen nu uit hoe ze met een ‘nano-giettecniek’ een koolstofkathode hebben gemaakt die bestaat uit 6,5 nanometer dikke koolstofstaafjes met 3 tot 4 nanometer brede kanalen daartussen. Dit materiaal brachten ze in contact met gesmolten zwavel, zodat de poriën zichzelf vol zogen. Bij afkoeling vormden zich nanovezels van vaste zwavel.

Naast die vezels blijft in de poriën voldoende ruimte over voor binnendringende lithiumionen. De gevormde polysulfiden kunnen er echter nauwelijks uit, met als gevolg dat de reactie ook echt tot het einde toe blijft doorgaan.

Alles bij elkaar kun je volgens de onderzoekers bijna 80 procent van de theoretische capaciteit van het aanwezige zwavel benutten bij een ‘redelijke’ op- en ontlaadsnelheid. Daarbij blijft de batterij gedurende meerdere cycli stabiel.

bron: Natural Sciences and Engineering Research Council