MOF@rGO-based cathodes for Li-S Batteries (MOGLiS)

Det økende behovet for elektrifisering av transportsektoren sammen med betydningen av fornybare energikilder krever en ny generasjon av høyeffektive batterier. Li-ionebatterier, som dominerer det nåværende markedet, nærmer seg sine fundamentale begrensninger i kapasitet på grunn av bruken av grafitt som elektroder og dyre metalloksidkatoder. Som et alternativ har litium-svovel-batterier (Li-S) potensiale som en lovende nestegenerasjons erstatning. Særlig for bruksområder hvor lett vekt vil være avgjørende, fordi Li-S batterier har en høy teoretiske kapasitet, som er omtrent fem ganger mer enn litium-ion-batterier. Imidlertid er det fortsatt kritiske utfordringer i dagens Li-S-batterier, inkludert i) dårlig elektronisk ledningsevne i svovel, som er katodematerialet ii) stor volumutvidelse av katoden under lade-/utladingsprosessen, og iii) polysulfid-transport, som forårsaker tap av det aktive materialet. Disse fenomenene resulterer i rask reduksjon av kapasiteten til Li-S-batteriet og har forhindret kommersialiseringen. MOGLiS (MOF@rGO-baserte katoder for Li-S-batterier)-prosjektet bruker nanoteknologi og tynnfilmsteknikker for å møte d gjenværende utfordringene til Li-S-batteriene. Fleksible katoder for Li-S-batterier har blitt designet, basert på utviklede nanomaterialer som inneholder såkalte Metal-Organic Frameworks (MOFs) kjemisk bundet på redusert grafenoksid (rGO), kalt MOF@rGO. Disse forbedrer ytelsen til Li-S-batteriene, og gir svært lang syklisk levetid og mulighet til høye lade-/utladningshastigheter med minimale tap av kapasitet. Protokoller for å fremstille de innovative MOF@rGO-materialene, samt prosedyrer for å impregnere dem med svovel for lage fleksible, lette katoder ble optimalisert. Under denne prosessen ble det utviklet spesialdesignede 2. generasjons MOF@rGO-materialer med forbedrede egenskaper. De fremstilte MOF@rGO-katodene er testet i knappeceller. Sammenlignet med en tradisjonell tilnærming, hvor MOFs og rGO simpelten blandes sammen, tilbyr det nye MOF@rGO-materialet betydelig lengre syklisk levetid med lavere kapasitetstap. MOF@rGO-katoden viste også svært gode egenskaper ved høy lade- og utladningshastighet. Denne eksepsjonelle elektrokjemiske ytelsen plasserer den utviklede MOF/rGO-baserte katoden som en av de beste rapporterte katodene for å forhindre polysulfidtransport til dags dato. I tillegg, under vurderingen av forskjellige MOF-materialer, fant vi ut at bimetalliske MOF-materialer kunne brukes som et belegg på kommersielle separatorer. Dette vil ytterligere forhindre polysulfid-transport og øke Li-S-batteriers sykliske levetid og stabilitet. Derfor ble nye MOF-modifiserte separatorer produsert og testet, og viste dramatisk forbedret ytelse. Den utviklede separatoren kan også forhindre at litium danner dendritter på grunn av MOF-enes porestørrelsen som gir en jevn transport og avsetning av litium. En lengre syklisk levetid og høy initiell kapasitet ble oppnådd, og lovende spesifikk kapasitet ble også dokumentert. Dette selv med stor mengde svovel i katoden og lavt innhold av elektrolytt i forhold til svovel. Å demonstrere god ytelse selv under disse krevende forholdene vil være viktig for fremtidig kommersialisering. NTNU og SINTEF er norske prosjektpartnere med det tekniske universitet i Warszawa (WUT) som internasjonal samarbeidspartner. Gjennomføringen av MOGLiS-prosjektet har vært vellykket, og de fleste av de planlagte forskningsaktivitetene har blitt utført i henhold til tidsplanen med oppnådde milepæler. Ressursene ved NTNU og SINTEF er fullt utnyttet gjennom effektivt samarbeid som førte til felles vitenskapelige publikasjoner. Prosjektresultatene viser potensialet til det utviklede katodematerialet og separatorene for fleksible og sammenleggbare batterier med svært høy kapasitet og fordeler i forhold til eksisterende batterier når det gjelder størrelse, sikkerhet og effektivitet. Det ble søkt om to patenter i samarbeid med Technology Transfer Office (TTO) ved NTNU, basert på henholdsvis det utviklede nye katodematerialet for Li-S-batterier og det nye separatordesignet. Tre vitenskapelige publikasjoner ble utarbeidet og sendt til journaler på høyt nivå.

The research outcomes of the MOGLiS project from the Norwegian partners mainly include the following aspects : (1) Invention of novel functional materials to manufacture high-performance Li-battery cathodes. - Two patents have been filed through the Technology Transfer Office (TTO). - After the patents were filed, three papers have been prepared and are expected to be soon submitted to high-impact journals. (2) Establishment of design principles of the functional material configuration for enhanced cathode performance. - The fabrication procedure has been updated from generation zero to the 1st and 2nd generation materials. (3) A new separator concept for Li-S battery using the developed nanomaterials. - The separator concept discovered during the project has been tested with excellent results. - The concept and results were used to establish new projects, including a project funded by the Research Council of Norway in 2023 (the 3S Battery project). Overall, the MOGLiS project results are expected to enhance the innovation potential in the Li-S battery technology by facilitating progress in Li-S batteries' durability and longevity, a crucial aspect for the next generation Li-S batteries, thus supporting Norwegian and the EU’s policies for green energy transition and mitigating carbon emissions.

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are attractive next generation energy storage devices in sectors like transportation due to their higher theoretical capacity and energy density. The lack of high-performance cathodes that can overcome the decay in cell capacity with cycling hinders the current market realization of Li-S batteries. The MOGLiS project aims at fabricating high performance cathode materials using novel MOF@rGO architectures. These new nanostructures will be synthesized and upscaled by the Norwegian partners in this project with the aim of engineering high performance cathodes sourced from carefully crafted chemistry and tailored nano-architectures. The resulting cathodes will be characterized with superior electrical and mechanical properties with efficient immobilization of sulfur compared to state-of-the-art Li-S cathodes. Upscaling of the developed functional materials using novel flow reactor technology in the view of securing commercialization interests is also planned in MoGLiS. These next generation flexible Li-S cathodes will be designed and demonstrated at TRL 4 for a high initial capacity >1300 mAh.g-1 and a reversible capacity, after 20 cycles, superior to 1200 mAh.g-1, but also a high cyclability with demonstrations >100 cycles with a capacity loss of less than 0.010% per cycle, for a sulfur loading in the cathode superior to 75%.