Grote doorbraak bij Lithium-Zwavel batterij?

[Micele]

University Michigan gebruikt Kevlar als membraan.

https://www.teslarati.com/lithium-su...igan-research/

Het Chemical Sciences and Engineering-team van de University of Michigan, onder leiding van professor Nicholas Kotov, heeft een "nieuw biologisch geïnspireerd batterijmembraan" ontwikkeld met gerecyclede Kevlar-vezels dat het bereik van elektrische voertuigen zou kunnen vervijfvoudigen en een levensduur van 1.000 cycli heeft.

The University of Michigan Chemical Sciences and Engineering team, led by Professor Nicholas Kotov, has developed a “new biologically inspired battery membrane” with recycled Kevlar fibers that could quintuple electric vehicle ranges and have a lifespan of 1,000 cycles.

The Ann Arbor, Michigan research facility is one of the best in the world, and Kotov, whose research focuses on the development of biomimetic nanocomposites, the self-assembly of nanoparticles, and chiral nanostructures, has worked to change the narrative on lithium-sulfur cells. “There are a number of reports claiming several hundred cycles for lithium-sulfur batteries, but it is achieved at the expense of other parameters—capacity, charging rate, resilience, and safety,” Kotov said in a press release from the University. “The challenge nowadays is to make a battery that increases the cycling rate from the former 10 cycles to hundreds of cycles and satisfies multiple other requirements including cost.”

Lithium-sulfur batteries can enable five times the capacity of standard lithium-ion cells, which are used in electric vehicles. However, as Professor Kotov mentioned in his quote, the lifespan is significantly decreased due to chemical reactions between molecules. The most common reason for reduced life cycles in lithium-sulfur batteries is dendrites, which are appendages that are designed to receive communications from other cells. These can pierce the membrane of cells, reducing the life span and thus the life cycle of a battery cell.

Another problem is polysulfides, or small molecules of lithium and sulfur, can form and flow to the lithium. They bond and cause blockages, reducing the effectiveness of the membrane. “The membrane is needed to allow lithium ions to flow from the lithium to the sulfur and back—and to block the lithium and sulfur particles, known as lithium polysulfides.”

However, Kevlar, the same material used in bulletproof vests, can stop dendrites from penetrating the membrane using dense aramid fibers found in the material. The cells that Kotov and his team developed use recycled Kevlar fibers. The Kevlar “can enable lithium-sulfur batteries to overcome their Achilles heel of cycle life,” caused by the two previously mentioned reactions between molecules.

An example of the Kevlar system is shown in the images below, as the typical Celgard membrane on the left allows lithium polysulfides to flow through. The Kevlar membrane (right) blocked the polysulfides from traveling through.


“Just half an hour on, the Celgard membrane (left) leaks lithium polysulfides. However, the U-M membrane (right) completely blocks the lithium polysulfides 96 hours later.
Image credit: Ahmet Emre, Kotov Lab.” Credit: University of Michigan

“Achieving record levels for multiple parameters for multiple materials properties is what is needed now for car batteries,” Kotov stated. Kotov added that the design of the lithium-sulfur batteries is “nearly perfect” due to its capacity and efficiency reaching theoretical limits. It can also behave more resiliently than lithium-ion cells in warm and cold weather climates, which both have effects on range and efficiency. However, fast charging could reduce the number of lifespans, Kotov added.

Lithium-sulfur batteries could be a good alternative as sulfur is more readily available and abundant than cobalt, which is controversial due to its mining practices. However, automakers like Tesla are reducing cobalt in their batteries vying for other metals, like nickel, instead. Sulfur’s low lifespan and instability, as it changes in size by 78 percent during charging, reduced the possibility of automakers using it in the past, The Independent reported.

The research was funded by the National Science Foundation and the Department of Defense.

[Micele]

... studie staat sinds 12 januari in Nature, met alle toeters en bellen figuurtjes

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27861-w

Published: 12 January 2022

Multifactorial engineering of biomimetic membranes for batteries with multiple high-performance parameters

Abstract

Lithium–sulfur (Li–S) batteries have a high specific capacity, but lithium polysulfide (LPS) diffusion and lithium dendrite growth drastically reduce their cycle life. High discharge rates also necessitate their resilience to high temperature. Here we show that biomimetic self-assembled membranes from aramid nanofibers (ANFs) address these challenges. Replicating the fibrous structure of cartilage, multifactorial engineering of ion-selective mechanical, and thermal properties becomes possible. LPS adsorption on ANF surface creates a layer of negative charge on nanoscale pores blocking LPS transport. The batteries using cartilage-like bioinspired ANF membranes exhibited a close-to-theoretical-maximum capacity of 1268 mAh g_1, up to 3500+ cycle life, and up to 3C discharge rates. Essential for safety, the high thermal resilience of ANFs enables operation at temperatures up to 80°C. The simplicity of synthesis and recyclability of ANFs open the door for engineering high-performance materials for numerous energy technologies.

https://www.greencarcongress.com/202...Communications

U Mich team develops 1,000-cycle lithium-sulfur battery

12 January 2022

A University of Michigan team has shown that a network of aramid nanofibers, recycled from Kevlar, can enable lithium-sulfur batteries to overcome their Achilles heel of cycle life, delivering an estimated 1,000 real-world cycles. A paper on their work is published in Nature Communications.

Commentaar van @Wiredsim ff vertalen

“De batterijen die gebruik maakten van kraakbeenachtige bio-geïnspireerde ANF-membranen vertoonden een bijna theoretische maximale capaciteit van 1268 mAh g_1, een levensduur tot 3500 laadcyclussen en een ontladingssnelheid tot 3C. De hoge thermische veerkracht van ANF's is essentieel voor de veiligheid en maakt het mogelijk om te werken bij temperaturen tot 80°C.”

Zeer indrukwekkend - klinkt te mooi om waar te zijn. Revolutionair als het levensvatbaar blijkt te zijn.

Gepost door: Wiredsim | 12 januari 2022

Wiredsim

“ The batteries using cartilage-like bioinspired ANF membranes exhibited a close-to-theoretical-maximum capacity of 1268 mAh g_1, up to 3500+ cycle life, and up to 3C discharge rates. Essential for safety, the high thermal resilience of ANFs enables operation at temperatures up to 80 °C.”

Very impressive- sounds too good to be true. Revolutionary if proves to be viable.
Posted by: Wiredsim | 12 January 2022


negative charges repelled the lithium polysulfide ions
Nice

Posted by: SJC | 13 January 2022 at 06:39 AM

sd
I do not know if this is THE solution but there is enough research work on Lithium Sulfur so I am fairly sure that there will be a one or more solutions found. Maybe Lyten with graphene encapsulation or Monash University's sweet (sugar based) solution. Even after one or more good solutions is found, it will take some time to find economic manufacturing techniques and to ramp up production. However, if there is an economic solution with high energy density, fast charge rate, and good life, it will be a real game changer which will allow battery electric long haul trucks, private vehicles with 600 mile plus range, commuter and other short to medium range aircraft, etc.

Posted by: sd | 13 January 2022 at 07:44 AM

peskanov
The paper does not tell about energy density, but common Li-S batteries are 1.7-2.5V.
They claim capacity of 1268 mah/g, therefore, I understand they got >1000 wh/kg!
The future of Li-S is looking really nice.

Posted by: peskanov | 14 January 2022

Het is uiteraard geen opgefriste V8-plofmotor met driedubbele turbo met laatste nieuwe SCR-katalyator en 4 fake uitlaatpijpen.

[Micele]

vervolg, voor mensen die weten dat dit tot 2155 Wh/kg is zonder verpakking ... (2.168 mAh/gram * 1,7 Volt)

of +5 maal! meer dan de huidige Li ions...

Ik verwacht dus maandag wat meer nieuw nieuws in de media over zoveelste doorbraak van Li-Zwavel.

Met titels van "2000 km actieradius voor electrische wagens?" zoals verleden jaar april.

[Micele]

https://teslamag.de/news/bericht-cat...ie-tesla-44796

Rapport: CATL wil patent voor goedkope natriumbatterij met Tabless-technologie zoals die van Tesla

Natrium als (veel) goedkoper alternatief voor Lithium is aangemeld door CATL, de grootste Chinese batterijmaker. Ze maken grote sprongen in de ontwikkeling.

Dus i.p.v. Li-ionen die vloeien zijn het Na-ionen die vloeien.

De energieinhoud is wel (veel) lager maar toch zouden ze 160 - 200 Wh/kg halen met de tabless-technologie zoals Tesla.

Maar het is vooral de prijs die telt, eerst 80$/kWh dan naar 30$/kWh bij genoeg massaproductie (dan moet er genoeg vraag naar zijn)

Voor veel goedkopere instapmodellen en EVs waar minder rijbereik gevraagd wordt. En die gaan er massaal komen, zeker in Aziatische markten.

Dus alweer een grote ontgoocheling voor de doemdenkers die al roepen dat de Lithiumprijzen te hoog gaan oplopen door hoge Li-vraag op korte termijn. (en de Li-mijnen niet kunnen volgen).

Als je nog geen batterijpartner hebt, zul je er geen meer vinden en batterijfabrikanten die niet genoeg grondstoffen hebben weten te bemachtigen, zullen de komende jaren problemen krijgen met de bevoorrading. Dit is ongeveer hoe waarnemers de situatie karakteriseren in de snelgroeiende markt voor elektrische autobatterijen, waar CATL uit China en LG Energy Solutions uit Zuid-Korea momenteel strijden om de eerste plaats. Op korte termijn kan met name lithium, dat een onmisbaar onderdeel is van de huidige lithium-ioncellen, krap worden - ook met de LFP-chemie waar Tesla en andere elektrische autofabrikanten in het Westen onlangs naar op zoek waren. Maar misschien kan dit knelpunt ook worden weggewerkt met alternatief materiaal - CATL lijkt er toch al vooruitgang mee te boeken.

CATL met natrium als vervanging voor lithium
Het Chinese bedrijf leverde Tesla als eerste LFP-cellen, die in het land al populair waren. Vanaf eind 2020 kwamen ze eerst in de kleinste Model 3 van de Gigafactory daar (en dus ook naar Europa), gevolgd door de Model Y, en binnenkort zullen ze ook op grote schaal worden toegepast in het Tesla Megapack. Want lithiumijzerfosfaat heeft natuurlijk lithium nodig, maar nikkel noch kobalt als twee andere dure en schaarse grondstoffen die anders nodig zijn.

Nu wil CATL ook het lithium overbodig maken. Afgelopen zomer introduceerde het bedrijf een batterij die in plaats daarvan natriumionen gebruikt (zie foto hierboven). Dit heeft enkele nadelen in de vorm van een nog lagere energiedichtheid. Maar zelfs toen meldde CATL 160 wattuur per kilogram, slechts ongeveer 20 procent minder dan moderne LFP-cellen. En vorige week berichtten Chinese media over een patent dat natrium-ionbatterijen op zijn minst op hetzelfde niveau zou moeten brengen.

In de Tesla Model 3 is LFP-technologie voldoende voor een WLTP-bereik van 491 kilometer - en sommige leveranciers van elektrische auto's durven de markt op met beduidend meer dan 20 procent minder. Als dergelijke niveaus ook met het natriumalternatief zouden kunnen worden bereikt, zou dit een nieuwe grote daling kunnen betekenen in de prijzen van EV-batterijen, die in de tweede helft van 2021 weer begonnen te stijgen. In juli was er sprake van aanvankelijk 80 dollar en later met natriumionen tot 30 dollar per kilowattuur.

Parallel aan Tesla's 4680 cellen
Het patent waarvoor nu patent is aangevraagd, betreft een "anodeloze" technologie, meldde CarNewsChina. Dit zou niet letterlijk moeten betekenen dat de CATL-batterij de anode mist - eerder alleen het kleine lipje ("tab"), dat anders aan de elektrode is gelast voor de elektrische verbinding, dat wil zeggen waarschijnlijk zoals de 4680-cellen van Tesla. In plaats daarvan wordt een dunne rand over de gehele lengte geleidend gemaakt (voordat deze in de cilinder wordt gerold). Volgens een Tesla patent werkt dit ook met de kathode.

Volgens het rapport zou bij CATL de anode zonder lip voldoende moeten zijn om met natriumionen een dichtheid van 200 wattuur per kilogram te halen, zoals tegenwoordig met LFP. Ook de huidige productiefaciliteiten zijn volgens het bedrijf relatief eenvoudig om te bouwen naar deze chemische stof. Als dit echt werkt met de beoogde LFP-dichtheid tegen lagere kosten, zou niet alleen Tesla actie moeten willen ondernemen. Dankzij Tabless-technologie zou CATL zelfs natrium-ion-batterijen kunnen produceren in het massievere 4680-formaat dat Tesla onderdeel wil maken van de ondersteunende structuur van zijn elektrische auto's - in eerste instantie met cellen gemaakt van duurdere grondstoffen.