Mikrowellenkunststoffe können die Lebensdauer von Lithium-Schwefel-Batterien verlängern

Forscher haben herausgefunden, dass das Einweichen von Kunststoff niedriger Dichte in ein schwefelhaltiges Lösungsmittel, das Einlegen in einen Mikrowellenherd und das Umwandeln in eine Kohlenstoffhalterung Lithium-Schwefel-Batterien nützlicher machen und eine höhere Kapazität aufrechterhalten kann.

Ingenieure der Purdue University haben eine Lösung für das Problem der Kunststoffdeponien gefunden und auch das Eintauchen von tintenfreien Kunststoffen in schwefelhaltige Lösungsmittel, in Mikrowellen und das anschließende Einlegen in Batterien als Kohlenstoffklammern verbessert.

Lithium-Schwefel-Batterien sind als die nächste Generation von Batterien bekannt, die die derzeitige Lithium-Ionen-Batterie ersetzen. Lithium-Schwefel-Batterien sind billiger und energieintensiver als lithium-ionen-batterien, was sie zu wichtigen Merkmalen macht, die von Elektroautos bis zu Laptops reichen.

Die Tatsache, dass Lithium-Schwefel-Batterien auffallen, ist jedoch, dass sie nicht lange halten und für etwa 100 Ladezyklen verwendet werden können.

Forscher der Purdue University haben einen Weg gefunden, die Lebensdauer eines Prozesses zu verlängern, der den zusätzlichen Vorteil hat, dass Kunststoffe bequem recycelt werden können. Kürzlich veröffentlichte Verfahren zu ACS-Anwendungen und Grenzflächen haben gezeigt, dass schwefelgetränkte Kunststoffe durch Einlegen in Mikrowellenöfen, einschließlich transparenter Plastiktüten, in ideale Substanzen umgewandelt werden können. Dies erhöht die Lebensdauer des kommenden akkus auf mehr als 200 Ladezyklen.

"Egal wie oft Sie Kunststoff recyceln, er bleibt auf der Erde", sagte Weilasiboer, Associate Professor an der School of Chemical Engineering der Purdue University. "Wir haben lange versucht, es loszuwerden. Es ist eine Möglichkeit, zumindest einen Mehrwert zu schaffen."

Die Notwendigkeit, Deponien zu reduzieren, ist mit der Notwendigkeit synchronisiert, Lithium-Schwefel-Zellen für die kommerzielle Nutzung geeignet zu machen.

"Da Lithium-Schwefel-Batterien immer beliebter werden, hoffen wir auf eine längere Lebensdauer", sagte Bohr.

Kunststoffe aus Polyethylen niedriger Dichte werden zum Verpacken verwendet und enthalten eine große Menge an Kunststoffabfällen. Dies hilft, das Langzeitproblem von Lithium-Schwefel-Batterien zu lösen - ein Phänomen, das als Polysulfid-Shuttle-Effekt bezeichnet wird und die Ladezeit der Batterie begrenzt.

Wie der Name schon sagt, enthalten Lithium-Schwefel-Batterien Lithium und Schwefel. Wenn Strom angelegt wird, wandern Lithiumionen zu Schwefel und reagieren chemisch unter Bildung von Lithiumsulfid. Polysulfid, ein Nebenprodukt der Reaktion, neigt dazu, zur Lithiumseite zurückzukehren, und verhindert, dass Lithiumionen zu Schwefel wandern. Dies verringert die Ladekapazität und Lebensdauer des akkus.

"Der einfachste Weg, Polysulfide zu blockieren, besteht darin, eine physikalische Barriere zwischen Lithium und Schwefel aufzubauen", sagte Patelikejin, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Purdue University.

Frühere Studien haben versucht, solche Barrieren unter Verwendung von Biomasse wie Bananenschalen und Pufferschalen zu schaffen, da Poren in Kohlenstoff, die aus Biomasse stammen, polymetallische Sulfide einfangen können.

"Jedes Material hat seine eigenen Vorteile, aber die Biomasse ist gut erhalten und kann für andere Zwecke verwendet werden", sagte Bohr. "Kunststoffabfälle sind wirklich wertlose und stark belastete Materialien."

Stattdessen fanden die Forscher heraus, wie Kunststoff in eine Kohlenstoffhalterung eingebaut werden kann, um den Transport von polymetallischen Sulfiden durch die Batterie zu verhindern. Frühere Studien haben gezeigt, dass Kunststoffe aus Polyethylen niedriger Dichte sich mit sulfonierten Gruppen zu Kohlenstoff verbinden.

Die Forscher tauchten eine Plastiktüte in ein schwefelhaltiges Lösungsmittel und stellten sie billig in einen Mikrowellenherd, um die schnell ansteigenden Temperaturen bereitzustellen, die erforderlich sind, um sie in Polyethylen niedriger Dichte umzuwandeln. Wärme fördert die Sulfonierung und Karbonisierung von Kunststoffen und bewirkt eine höhere Dichte der eingeschlossenen Polysulfidporen. Kunststoffe aus Polyethylen niedriger Dichte können dann zu Kohlenstoffgerüsten verarbeitet werden, um die Hälfte von Lithium und Schwefel in Batterieknopfbatterien zu trennen.

"Von Kunststoffen abgeleiteter Kohlenstoff aus diesem Verfahren umfasst negativ geladene Sulfonatgruppen, die auch in Polysulfiden vorhanden sind", sagte Kim. Sulfoniertes Polyethylen niedriger Dichte wird zu einem Kohlenstoffgerüst verarbeitet, so dass Polysulfide durch ähnliche chemische Strukturen gehemmt werden.

"Dies ist der erste Schritt zur Erhöhung der Batteriekapazität", sagte Pol. "Der nächste Schritt besteht darin, mit diesem Konzept größere Batterien herzustellen."

Die Studie wurde von der Naval Enterprise Partnership in Zusammenarbeit mit dem Nationalen Zentrum für Exzellenz in der Strom- und Energieforschung an der Purdue University durchgeführt.

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