Pokrok v lítium-sírnych batériách - nový dizajn katódy robí batérie s vysokou hustotou

Nový dizajn katódy robí batérie s vysokou hustotou odolnejšie a výkonnejšie

Vylepšená koncepcia batérií: Vedci dodali lítium-sírovým batériám väčší výkon a životnosť - s novým dizajnom sírnej katódy. Toto zabraňuje degenerácii sírnej elektródy aj pri silnejších vrstvách síry a umožňuje hustotu energie viac ako 1 200 miliampér hodín na gram, ako uvádzajú vedci v časopise „Science Advances“. Vďaka tomu by mohli byť lítium-sírové batérie v budúcnosti prakticky použiteľné.

dizajn

Lítium-iónové batérie sa dnes nachádzajú takmer vo všetkých mobilných zariadeniach, v elektromobiloch a v mnohých ďalších aplikáciách na batérie. Ale tieto batérie majú niektoré slabé stránky: Môžu explodovať, stratiť kapacitu v priebehu času a ich energetická hustota nie je optimálna - to okrem iného obmedzuje dojazd elektromobilov. Preto vedci z celého sveta hľadajú výkonnejšie alternatívy k lítium-iónovým batériám; lítium-kovové batérie, sodíkovo-iónové batérie alebo lítium-sírové batérie sa považujú za kandidátov.

Síra namiesto grafitu

Lítium-sírne batérie používajú ako katódu zmes síry a uhlíka. Keď je batéria vybitá, kovové lítium na anóde reaguje so sírou za vzniku sulfidu lítneho, čím uvoľňuje elektrinu. Lítium-sírové batérie teoreticky dosahujú takmer optimálne vysokú hustotu energie - a mohli by preto výrazne zvýšiť dojazd elektromobilov s nižšou hmotnosťou.

Ale v praxi majú tieto batérie háčik: časom sa štruktúra a objem katódy drasticky menia. Vďaka tomu výkon batérie s každým nabíjacím cyklom výrazne klesá. "Tento vedľajší účinok rozpadu elektród sa stáva čoraz výraznejším, keď je katóda silnejšia," vysvetľujú Mahdokht Shaibani z Monash University v Austrálii a jej kolegovia.

Preto vedci už vyrábali vysoko výkonné lítium-sírové batérie ako gombíkové články, ale väčšie batérie majú zlú životnosť.

Mikroštruktúra katódy optimalizovaná

Shaibani a jej tím možno teraz našli riešenie tohto problému so škálovaním. Vyvinuli ste sírne katódy, ktorých štruktúra minimalizuje zmeny objemu aj pri väčších batériách. Jadrom konceptu je spojivo vyrobené z karboxymetylcelulózy sodnej (Na-CMC), ktoré drží na katóde síru a uhlík pohromade a má tak rozhodujúci vplyv na správanie a mikroštruktúru.

Vedci vyvinuli výrobnú metódu pre svoju novú lítium-sírovú batériu, ktorá distribuuje spojivo efektívnejšie a zároveň jemnejšie v katódovom materiáli. „To umožňuje vytváranie mechanicky pevných mostov medzi materiálmi a vytvára katódy s jedinečnou architektúrou,“ informujú Shaibani a jej kolegovia. „Tieto katódy majú veľké reakčné povrchy, odolávajú nabíjaciemu namáhaniu a majú vysokú elektrickú vodivosť a priepustnosť pre ióny.“

Vysoká účinnosť a kapacita

Čo to však vlastne prináša? Aby to mohli otestovať, vedci skonštruovali sírové katódy na základe nového dizajnu a zabudovali ich do vačkových článkov - väčších batérií s pružnými obalmi, aké sa používajú v elektrických vozidlách. Test ukázal, že tieto katódy dosahovali kapacitu viac ako 1 200 mAh na gram - to je asi trojnásobok hodnoty bežných lítium-iónových batérií.

Ale ešte dôležitejšie: lítium-sírové batérie takmer ani po viac ako 200 nabíjacích cykloch nestratili nič zo svojej sily. „Takáto úroveň trvalej kapacity bola pre sírne katódy tejto hrúbky doteraz nedosiahnuteľná,“ uvádzajú vedci. Zároveň jeho katóda dosiahla účinnosť 99 percent. „Pokiaľ vieme, táto kombinácia vynikajúcej stability a účinnosti cyklu je pre katódy s takým vysokým obsahom síry jedinečná,“ uvádzajú.

Lacný, ekologickejší a ľahko sa vyrába

Podľa vedcov ich výrobná metóda rieši problém škálovania lítium-sírových batérií, a tak by mohla v budúcnosti v praxi zužitkovať ich vysokú hustotu energie. „Tento prístup nám poskytuje nielen batérie s vysokým výkonom a dlhou životnosťou, ale tiež sa dajú ľahko a lacno vyrobiť,“ vysvetľuje spoluautor Matthew Hill z austrálskej výskumnej organizácie CSIRO.