Wed Feb 20 2019

02 20

Zwavel en koolstof voor batterijen

27/08/2018

Door Ad Spijkers

Wetenschappers zoeken niet alleen nieuwe manieren om elektrische energie op te wekken. Ook voor de opslag van stroom moeten alternatieven worden gevonden om energie efficiënt en milieuvriendelijk te kunnen gebruiken.


     

Op zoek naar de batterij van de toekokmst gaat het er vooral om, optimale materiaalcombinaties te vinden die met de nu veelebruikte lithium-ionen-accu's te kunnen concurreren. In toenemende mate ligt de aandacht daarbij op metaal-zwavel-batterijen. Zwavel belooft namelijk een hoge opslagcapaciteit en lage productiekosten.

Chemici van de Friedrich-Schiller-Universität Jena, het Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena en de Technischen Universität Chemnitz hebben echter een nieuw fenomeen in dit type batterij ontdekt. Dit kan hun werking aanzienlijk beïnvloeden en moet daarom nader worden onderzocht.

Onverwachte wisselwerking

In combinatie met een metaal, bijvoorbeeld natrium of ook wel lithium, kan een batterij met zwavel als pluspool in theorie aanzienlijk meer energie opslaan dan met de meeste andere materialen. Wereldwijd wordt daarom intensief onderzoek verricht aan metaal-zwavel-batterijen. Door de slechte geleidbaarheid van zwavel moet dit element echter met fijne deeltjes geleidend koolstof worden gecombineerd.

Bij contact blijken beide elementen op onverwachte wijze een wisselwerking te vertonen. De wetenschappers hebben hiertoe bij normale omgevingstemperatuur hoogporeuze koolststofdeeltjes en zwavel in gelijke delen met elkaar gemengd. Daarbij bedekten de zwavelatomen in korte tijd het complete oppervlak van het koolstof. Wordt het mengsel met spectroscopische of microscopische methoden nauwkeuriger onder de loep genomen, dat kunnen duidelijke veranderingen in de eigenschappen van het zwavel worden vastgesteld. Na enkele dagen verliest het zwavel zijn structuur en wordt amorf. Ook het smeltpunt verandert. Het fenomeen dat zwavel in contact met zwavel zo drastisch van karakter verandert, wordt door de chemici 'spillover' genoemd.

De onderzoekers zijn verbaasd dat dit effect tot nu toe over het hoofd werd gezien, aangezien ze het met relatief eenvoudige onderzoeken zonder veel moeite konden vaststellen. Ze gaan er van uit dat die fundamentele fenomeen van invloed kan zijn op alle soorten metaal-zwavel-batterijen waarbij poreus koolstof wordt gebruikt. Daarom is nader onderzoek nodig om meer of het hier besproken spillover-effect te ontedekken en daarvan eventueel gebruik te maken in batterijen.

(foto: Lukas Medenbach/FSU)