Baterie Li-S z hybrydową anodą dla samochodów

electric_car

Inżynierowie z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) w Stanach Zjednoczonych opracowali specjalną, hybrydową anodę, która czterokrotnie wydłuża żywotność baterii litowo-siarkowych. Akumulatory wykorzystujące siarkę, która często dostępna jest jako odpad, mają kilkukrotnie większą pojemność od tradycyjnie stosowanych baterii litowo-jonowych.

Aby pojazdy elektryczne mogły pokonywać dłuższe dystanse bez konieczności zatrzymywania się na międzyładowania, konieczne jest zastosowanie bardziej pojemnych akumulatorów. Według ostatnich doniesień, nowe konstrukcje litowo-siarkowe są bezpieczniejsze, tańsze i bardziej pojemne od litowo-jonowych kuzynów. Akumulatory Li-S zostały wykorzystane w najdłuższym i najwyższym locie samolotu Zephyr-6, zasilanym bateriami słonecznymi w sierpniu 2008 roku. Teoretycznie, gęstość energii zmagazynowanej w tego typu ogniwach może być nawet 10 razy wyższa od tej obserwowanej w dużych ogniwach Li-Ion. Podstawowym problemem większości baterii litowo-siarkowych jest pośrednia reakcja elektrod z elektrolitem, która wpływa na szybki spadek pojemności podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowania. O mankamentach i działaniu ogniw Li-S informowaliśmy bardzo dokładnie w artykule na temat wydajnych ogniw litowo-siarkowych zbudowanych na kompozytowej katodzie z siarki i płatków tlenku grafenu. Oprócz tego, w takich urządzeniach modyfikuje się również skład płynnego elektrolitu. Naukowy są coraz bliżej opracowania aparatu umożliwiającego komercyjne zastosowanie. Teraz, inżynierowie z PNNL zaprojektowali hybrydową anodę z grafitowym ekranem, który zapobiegał przyspieszonemu niszczeniu ogniwa. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Communications.

Większość dotychczasowych rozważań poświęcona była zatrzymaniu rozpuszczania katody wykonanej z siarki. Ze względu na zaprezentowane niedawno wyniki badań, które wykazały, iż ogniwo może działać nawet z częściowo zdegradowaną katodą, naukowcy z PNNL postanowili rozwiązać problem w inny sposób. Skupili się na zmianie budowy anody, pokrywanej do tej pory niepożądaną warstwą Li2S, zatrzymującą przepływ jonów. Powłoka ta powstaje na skutek rozpadu katody w elektrolicie. Tworząc nową osłonę, inżynierowie posłużyli się grafitem, który powszechnie używany jest w bateriach litowo-jonowych.

Grafit to alotropowa odmiana węgla składająca się z równoległe ułożonych warstw grafenu. W każdej warstwie atomy węgla są ułożone w heksagonalne (sześciokątne) struktury przypominające pszczeli plaster. Odległości między sąsiednimi atomami węgla w jednej warstwie wynoszą 0,142 nm, zaś między warstwami 0,335 nm. Powoduje to, że grafit wykazuje znaczną anizotropię (zależność właściwości od kierunku). Materiał służy m.in. do określania genezy skał metamorficznych, wyrobu suchych smarów, wkładów do ołówków, farb chroniących ołów przed korozją, elektrod, okładzin hamulcowych, środków polerskich, wyrobów ogniotrwałych. Dobrze przewodzi prąd elektryczny, ciepło oraz jest odporny na wysoką temperaturę.

Grafitowa bariera została przyłączona do anody, a następnie umieszczona w elektrolicie pomiędzy dodatnią i ujemną elektrodą. Zastosowanie swoistego separatora wpłynęło wyraźnie na poprawę zachowania ogniwa. Rozpuszczone w elektrolicie polisiarczki litu wiązały się z grafitową warstwą, minimalizując prawdopodobieństwo wystąpienia szkodliwych reakcji ubocznych na powierzchni anody. Bateria wyposażona w konwencjonalną anodę przestawała działać po około 100 cyklach ładowania-rozładowania. Akumulator z hybrydą funkcjonował prawidłowo nawet po 400 cyklach, z 11% spadkiem początkowej zdolności magazynowania energii (800 mAh/g). Dla porównania, pojemność typowych ogniw Li-Ion mieści się w zakresie 140-180 mAh/g.

Testy laboratoryjne przeprowadzano na małych, cienkowarstwowych wersjach baterii. Kolejnym krokiem naukowców będzie sprawdzenie działania grafitowego separatora w wielkogabarytowym akumulatorze do rzeczywistych zastosowań przemysłowych. Baterie Li-S gromadzące cztery razy więcej energii przy tej samej masie niż baterie litowo-jonowe mogą w przyszłości posłużyć do składowania energii odnawialnej oraz zasilania samochodów elektrycznych.

Źródło:
[1] Cheng Huang, Jie Xiao, Yuyan Shao, Jianming Zheng, Wendy D. Bennett, Dongping Lu, Saraf V. Laxmikant, Mark Engelhard, Liwen Ji, Jiguang Zhang, Xiaolin Li, Gordon L. Graff & Jun Liu (2014) “Manipulating surface reactions in lithium-sulfur batteries using hybrid anode structures,” Nature Communications doi: 10.1038/ncomms/4015
[2] http://www.nature.com/ncomms/2014/140109/ncomms4015/full/ncomms4015.html [22.01.2014]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2014/140109/ncomms4015/extref/ncomms4015-s1.pdf [22.01.2014]
[4] http://www.pnnl.gov/news/release.aspx?id=1031 [22.01.2014]
[5] http://www.gree ncarcongress.com/2014/01/20140110-liu.html [22.01.2014]
[6] Electric Concept Car by terren in Virginia, flickr.com, CC BY 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *