Electrolyte Composition Governs Polysulfide Shuttling and Electrochemical Stability in Li/FeS₂ Batteries: Organic, Ionic Liquid, and Hybrid Electrolytes Compared

Batterijen zijn de stille motoren van de moderne wereld en voeden alles, van de telefoons in onze zakken tot de elektrische auto's op onze wegen. In hun kern ligt een eenvoudige maar veeleisende taak: het heen en weer bewegen van minuscule geladen deeltjes, genaamd ionen, tussen twee uiteinden van een cel om energie op te slaan en vrij te geven. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een specifiek materiaal, ijzerpyriet, om als een van deze uiteinden te dienen. Dit mineraal, dat overvloedig in de natuur voorkomt en vaak "gekkengoud" wordt genoemd, biedt de belofte om veel meer energie op te slaan dan de materialen die in de huidige standaardbatterijen worden gebruikt, terwijl het ook goedkoop en veilig te produceren is. Echter, een hardnekkig probleem heeft dit materiaal jarenlang gevangen gehouden in het laboratorium. Wanneer de batterij werkt, valt het ijzerpyriet uiteen in kleinere stukjes die oplossen in de vloeistof binnen de cel. Deze opgeloste stukjes dwalen vervolgens over de batterij naar de andere kant, wat een chemische kortsluiting veroorzaakt die energie verspilt, de batterij corrodeert en het vermogen om in de loop van de tijd een lading vast te houden, vernietigt.

Een team onderzoekers aan de Norfolk State University zette zich in om dit wandelende probleem op te lossen door verschillende vloeistoffen te testen om te zien welke de opgeloste stukjes op hun plaats kon houden. Ze wisten dat de vloeistof in een batterij, bekend als de elektrolyt, fungeert als een snelweg voor ionen maar ook als een oplosmiddel dat de actieve ingrediënten van de batterij kan oplossen. Conventionele vloeistoffen die in de meeste batterijen worden gebruikt, zijn erg goed in het verplaatsen van ionen, maar zijn ook zeer goed in het oplossen van de ongewenste stukjes, wat het probleem verergert. Aan de andere kant is er een nieuwer type vloeistof, gemaakt van zouten die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn, dat zeer slecht is in het oplossen van deze stukjes, maar zo dik en traag is dat het de prestaties van de batterij vertraagt. De onderzoekers vroegen zich af of ze deze twee zeer verschillende vloeistoffen samen konden mengen om het beste van beide werelden te krijgen: een vloeistof die ionen snel verplaatst maar weigert de schadelijke stukjes te laten ontsnappen.

Om het antwoord te vinden, bouwde het team kleine, muntvormige batterijcellen met ijzerpyriet als het positieve uiteinde en een strip lithiummetaal als het negatieve uiteinde. Ze bereidden drie groepen van deze cellen voor, elk gevuld met een andere vloeistof. De eerste groep gebruikte een standaard, dunne organische vloeistof. De tweede groep gebruikte de dikke, zoutgebaseerde ionische vloeistof. De derde groep gebruikte een op maat gemaakte mix, waarbij gelijke delen van de dunne organische vloeistof en de dikke ionische vloeistof werden gemengd. Nog voordat ze begonnen met het laden en ontladen van de batterijen, bevestigden ze met krachtige röntgenmachines en laserspectroscopie dat het ijzerpyriet in hun cellen puur en structureel gezond was, om er zeker van te zijn dat ze met een schone lei begonnen.

Toen ze begonnen met het cyclen van de batterijen, werden de verschillen in prestaties duidelijk. De cellen gevuld met de standaard dunne vloeistof verloren zeer snel hun vermogen om een lading vast te houden. De opgeloste stukjes ijzerpyriet dwaalden vrij rond naar de andere kant, waardoor de batterij snel degradeerde. De cellen gevuld met de dikke ionische vloeistof hielden hun lading aanvankelijk beter vast omdat de dikke vloeistof de opgeloste stukjes dicht bij hun bron hield en voorkwam dat ze zouden dwalen. Echter, naarmate het cyclen voortduurde, begon de trage aard van deze dikke vloeistof de capaciteit van de batterij om energie efficiënt te verplaatsen te hinderen, en de prestaties begonnen uiteindelijk te haperen. De gemengde vloeistof vertelde echter een ander verhaal. De cellen die deze mix gebruikten, produceerden de meest vloeiende en consistente spanningspatronen, wat erop wijst dat de chemische reacties binnenin op een gecontroleerde, ordelijke manier plaatsvonden. De mix slaagde erin de opgeloste stukjes ervan te weerhouden ver te dwalen, terwijl de batterij nog steeds energie efficiënt kon verplaatsen.

Om precies te begrijpen wat er binnenin gebeurde, haalden de onderzoekers de batterijen na enkele cycli uit elkaar en weekten de interne componenten in een helder oplosmiddel om enig opgelost materiaal te extraheren. Vervolgens schijnen ze licht door deze oplossingen om exact te meten hoeveel ijzerpyriet er was opgelost en waar het terecht was gekomen. De resultaten waren opmerkelijk. In de cellen met de standaard vloeistof was bijna twintig procent van de zwavel uit het ijzerpyriet opgelost en verloren gegaan aan het systeem. In de cellen met de dikke ionische vloeistof was dit verlies gedaald naar ongeveer vijftien procent. Maar in de cellen met de gemengde vloeistof was het verlies het laagst van allemaal, namelijk net iets meer dan dertien procent. Dit betekende dat de hybride aanpak bijna een derde meer van het actieve materiaal verspilling voorkwam vergeleken met de standaard vloeistof.

De studie suggereert dat de mengeling meer deed dan alleen de eigenschappen van de twee vloeistoffen middelen. In plaats daarvan leek de combinatie een unieke omgeving te creëren waarin de opgeloste stukjes zich nabij het ijzerpyriet vormden, maar effectief werden gestopt om te reizen over de batterij. Deze "lokalisatie" hield de schadelijke chemische reacties binnen de perken, waardoor de structuur van het ijzerpyriet werd bewaard en de batterij meer keren kon cyclen zonder te falen. De onderzoekers vonden dat deze hybride vloeistof een praktisch pad voorwaarts bood, waarmee bewezen werd dat het mogelijk is om een elektrolyt te ontwerpen die zowel snel genoeg is voor hoge prestaties als restrictief genoeg is om de interne corrosie te stoppen die de ijzerpyrietbatterijen al jarenlang teistert. Door deze concurrerende behoeften in balans te brengen, toonde het team een levensvatbare route aan om hoogcapaciteitsbatterijen te maken die langdurig zijn en gebruikmaken van materialen die overvloedig en goedkoop zijn.