Met een matje van zinkoxide-nanodraadjes kun je voorkomen dat zwavel uit de kathode van een lithium-zwavelaccu lekt. Met dank aan de menselijke darmwand voor de inspiratie, schrijven onderzoekers uit Cambridge in Advanced Functional Materials.
Zo’n anode bestaat uit poreus, geleidend materiaal (meestal koolstof) met daarin elementaire zwavel (S8). Tijdens het ontladen reageert die zwavel met lithiumionen uit de anode tot Li2Sx (‘polysulfides’ in het jargon) waarbij x steeds kleiner wordt. Uiteindelijk heb je Li2S en is de accu leeg.
Op papier is de capaciteit van een lithium-zwavelaccu een paar keer groter dan die van een even zware Li-ionaccu. Probleem is echter dat polysulfides (behalve Li2S) redelijk goed oplossen in de vloeibare elektrolyten die gewoonlijk zulke accu’s zitten. Je raakt dus permanent een deel van de zwavel uit je kathode kwijt, en dus ook een deel van de laadcapaciteit.
Eerder dit jaar werd al voorgesteld om die polysulfides tegen te houden met een metal organic framework boven de kathode. Ook is al gesuggereerd het S8 te polymeriseren tot ‘polyzwavel’ dat nog wel met lithium reageert maar niet meer weg kan.
Het idee van R. Vasant Kumar en collega’s is nu om op de kathode een woud van zinkoxidedraadjes te kweken die eveneens polysulfides tegenhouden. Dat kunnen die draadjes dankzij een zeer groot specifiek oppervlak, en een sterke chemische interactie met zwavelverbindingen.
Volgens de bedenkers doet het denken aan darmvlokken of ‘villi’, de uitstulpingen op de wand van de dunne darm die eveneens dienen om het actieve oppervlak te vergroten.
Ze hebben het eerst uitgeprobeerd op een ondergrond van nikkelschuim. Toen dat bleek te werken zijn ze, vooral met het oog op gewichtsbesparing, overgeschakeld op een mat van meerwandige koolstofnanobuisjes. Je kunt er 3 mg zwavel per cm2 in kwijt.
Het leverde een accu op met een capaciteit van 776 mA h g−1. Per laadcyclus ging daar volgens Kumar maar 0,05 % van af.
Hij tekent er wel bij aan dat het nog niet meer is dan een proof of principle op labschaal, en dat de accu nog niet lang genoeg mee gaat om serieus met Li-ionaccu’s te kunnen concurreren.
bron: University of Cambridge
Nog geen opmerkingen