Super Selective Separators for Battery Applications

Oppladbare litium-svovel (Li-S)-batterier har et stort potensiale siden de har en teoretisk energitetthet 5 ganger høyere enn vanlige litiumionebatterier (LiBs), og i tillegg er billigere og mer bærekraftige. Li-S batterier har imidlertid noen uløste problemer, knyttet til transport og tap av svovelmateriale fra katodesiden i batteriet, samt vekst av litiumdendritter, som ødelegger kapasiteten og levetiden til batteriene. Å utvikle svært effektive separatorer til batteriene kan være en løsning. En separator er et tynt og porøst sjikt som ligger mellom katoden og anoden for å forhindre kortslutning samtidig som ladninger får passere. I Li-S-batterier er det viktig at Li+ får passere, men at mellomprodukter mellom litium og svovel (såkalte litium polysulfider, Li2Sx) blir forhindret fra å forlate katoden og gi tap av kapasitet. 3S Battery-prosjektet (Super Selective Separator for Battery Applications) har som mål å utvikle effektive separatorer med skreddersydde nanostrukturer, funksjonaliteter og funksjonelle belegg for å oppnå dette. Dette skal effektivt undertrykke polysulfidenes migrering samtidig som de hjelper mellomproduktene å konverteres videre til Li+. I tillegg skal kanalene i separatorene la Li+ passere på en jevn og homogen måte. Dermed kan problemene forårsaket av både polysulfid-shuttling og dendrittdannelse løses. I 3S Battery vil det utvikles separatorer med de foreslåtte egenskapene, deres ytelser i Li-S-batterier vil bli evaluert, og oppskaleringspotensial bli vurdert. Ved slutten av prosjektet er målet at de utviklede separatorene muliggjør Li-S-batterier med en kapasitet på ~1300 mA?h g-1, levetid på >2000 sykluser og med tap av kapasitet på <0,01 % per syklus. Egenskapene til de utviklede separatorene kan også utnyttes i andre typer metallsvovelbatterier eller LiBs. Prosjektet er basert på et tverrfaglig samarbeid mellom eksperter ved NTNU og SINTEF innen nanomaterialer, membraner og batterier. Uppsala universitet er en internasjonal partner. I løpet av dette rapporteringsåret fokuserte 3S Battery-prosjektet på utvikling av nye materialer og design av nye morfologier og nanostrukturer for effektive Li-S batteriseparatorer. Ulike separatormaterialer med veldefinerte funksjoner ble syntetisert for forbedret batteriytelse for å nå prosjektets KPIer. Resultatene av forskningsaktivitetene og noen foreløpige resultater er oppsummert som følger: 1. To kostnadseffektive 3-D bimetalliske MOF-er (dvs. Fe-ZIF-8 og UiO-66(Fe/Zr)-NH2) ble utviklet ved NTNU og brukt som selektive materialer for å fremstille separatorer med utformede funksjoner. De syntetiserte MOF-ene inneholder Fe(II)-steder, som forbedrer svoveladsorpsjon og katalytisk omdannelse av polysulfider. Bruken av disse som separatorer i Li-S batteriet forbedrer batteriytelsen betydelig, og lang syklisk levetid (opptil 2000) og lavt kapasitetsfall ( <0,06 %) ble demonstrert. 2. Separatorer basert på to koboltbaserte MOF-er med optimaliserte egenskaper ble også syntetisert, og de fysiske egenskapene og ytelsen i et Li-S batteri karakterisert. Batterier med disse MOF-ene i separatorene viste en innledende kapasitet så høy som 1500 mAhg–1. 3. Kationbyttermembraner laget av blokkkopolymerer (Nexar og sulfonert polyetersulfon) ble fremstilt som frittstående separatorer, og deres ytelser som Li-S batteriseparatorer ble evaluert for ytterligere optimalisering. 4. AOPIM-1 (amidoksim-funksjonalisert PIM (polymer with intrinsic microporosity/polymer med egen mikroporøsitet)) ble syntetisert. Et tynt belegg av materialet ble lagt oppå en kommersiell separator (f.eks. polypropylen (PP) eller Celgard) for å fungere som det selektive laget som forhindrer polysulfidtransport. For å optimalisere belegglagets morfologi ble alternative substrater undersøkt. Et svært porøst smelteblåst PP-stoff ble valgt som substrat for AOPIM-1-belegget, noe som resulterte i en ideell morfologi som en separator, dvs. svært porøst materiale for fri Li+-transport og jevn porestørrelse som muliggjør selektiv eliminering av polysulfid-skyttelen effekt og forhindrer dendrittdannelse. AOPIM-1 ble også støpt for å fungere som en frittstående polymerseparator uten underliggende substrater. 5. Det ble utviklet såkalte nonwoven polymerseparatorer ved hjelp av elektrospinning ved SINTEF, hvor tynne fibre av f.eks. polyakrylnitril (PAN) ble laget og samlet sammen til en fibermatte. Forskjellige strategier for å integrere funksjonelle MOF-er i fibermattene ble utforsket, inkludert å blande inn forhåndslagde MOF-er og elektrospinne med disse i løsningen, samt å bare blande inn forløpere og deretter gro krystaller av MOF-er på fibrene i etterkant. Konsentrasjonen av MOF-er i fibermattene ble variert og separatorens porositet og mekaniske egenskaper ble optimalisert ved hjelpt av trykk og temperatur.

Rechargeable Lithium-sulfur (Li-S) batteries have a theoretic energy density 5 times that of Lithium-ion batteries (LiBs), showing great potential as a low-cost, sustainable, and high-energy density alternative to the current state-of-the-art LiBs. However, serious problems due to polysulfide shuttling and Li dendrites formation have deteriorated the capacity retention and rate cyclability of Li-S batteries. The 3S Battery project (Super Selective Separator for Battery Applications) is proposed to mitigate these challenges, aiming at developing highly efficient separators for Li-S battery applications. The defined separator should act as a selective channel that effectively suppresses the polysulfides migrating while facilitating the Li+ ion transport with uniform distribution, thereby solving the problems caused by both polysulfide shuttling and dendrite formation. Functional coatings will also reactivate the trapped sulfur to increase cathode efficiency. 3S Battery project will design nanomaterials for the desired functions of Li-S battery separators, then fabricate separators using innovative membrane fabrication techniques, and evaluate the battery performance. The project implementation is based on highly interdisciplinary collaboration between experts at NTNU and SINTEF in nanomaterials, membranes, and batteries. The developed separators are expected to enable Li-S batteries to achieve high performance as indicated by the key performance indicators (KPI), including high cycle stability of >2,000 cycles, corresponding to a capacity decay of ~0.01% per cycle, with an initial discharge capacity of ~1300 mA?h g-1 at a 0.1 C. This performance will be revolutionary and attract industry interest. Responsible Research and Innovation (RRI) aspects will be included to identify the risks and opportunities stemming from the developed separators. Education and training of competent engineers, especially in battery technology, is also an important part of the project.