Descripción del proyecto
La investigación podría llevar a diseños mejorados de baterías de litio-azufre
Las baterías de litio-azufre parecen ser las sucesoras ideales para sustituir a las de ion litio convencionales, ya que podrían ser más económicas y almacenar más energía en relación con su peso. Sin embargo, las densidades de energía alcanzadas hasta el momento no han logrado estar a la altura de las predicciones teóricas. La dificultad para cargar cantidades suficientes de azufre en el cátodo de carbono poroso limita la capacidad de desarrollar completamente su potencial electroquímico. El proyecto NanoEvolution, financiado con fondos europeos, dedicará su atención a aspectos poco conocidos. Estudiará las propiedades de transporte de masa y carga de las baterías de litio-azufre y revelará información nueva sobre los mecanismos de reacción electroquímicos, en particular sobre la reducción de azufre en varias etapas. La modelización y el trabajo experimental ampliarán nuestros conocimientos sobre la cinética y la morfología del depósito de litio-azufre en los electrodos de carbono en escalas de longitud sin precedentes.
Objetivo
Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered a strategic candidate to achieve both significantly higher energy storage and better sustainability than current Lithium-ion batteries. They operate by converting sulfur into lithium sulfide and back on discharge/charge. However, practically achieved energies are far from theoretical values due to difficulties to load sulfur in high areal and volume density in the porous carbon cathode and to fully use it electrochemically. Current experimental techniques are strong in aspects, but fail to combine the required coverage of length scales ranging from sub-nanometers to micrometers in the crucial real-time in situ fashion.
NanoEvolution aims to i) identify nanoscale structure-transport-performance correlations, ii) understand capacity limitations and reaction mechanisms, and iii) derive design criteria for improved Li-S battery performance. To achieve these goals, structure-sensitive in situ scattering and imaging methods during electrochemically operating custom-built in situ Li-S cells will be implemented. Specifically, in situ small and wide angle X-ray scattering (SWAXS) will be established and synergistically combined with nanoscale phase evolution modelling for data analysis. In situ nanoscale X-ray tomography will be realized to achieve continuous structural sensitivity from (sub-)nanometer (SWAXS) to sub-micrometer scales (tomography).
The novel combination of modelling and structure-sensitive in situ experiments allows real-time detection of the Li2S/sulfur morphology and location within the nanoporous carbon electrode during charge and discharge, at length scales so far not accessible to other methods. This allows to determine the final cause for capacity limitation (mass transport vs. charge transport), ii) elucidate the nature of the multiple-step sulfur reduction (oxidation) reaction, and iii) derive design criteria for improved sulfur loading, capacity utilization, and power densities.
Ámbito científico
Programa(s)
Régimen de financiación
MSCA-IF - Marie Skłodowska-Curie Individual Fellowships (IF)Coordinador
8092 Zuerich
Suiza