Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory zademonstrowali zaawansowaną baterię litowo-siarkową (Li/S) o pojemności dwukrotnie większej niż standardowe ogniwo litowo-jonowe. Nowy akumulator posiada również niespotykanie długi czas żywotności, nieosiągalny dla podobnych urządzeń konstruowanych wcześniej.
Baterie litowo-jonowe zdominowały rynek urządzeń przenośnych oraz samochodów elektrycznych. Niedawno informowaliśmy na temat polimeru wydłużającego czas żywotności akumulatorów Li-ion. Teraz, naukowcy skupili się na stworzeniu bardzo wydajnych ogniw do pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Mają one pomóc w uzyskaniu porównywalnych parametrów mocy silnika i zasięgu jak w przypadku samochodów spalinowych. Ogniwa litowo-siarkowe mają umożliwić podróżowanie na odległości przekraczające “magiczną” dla producentów barierę 300 mil (około 483 kilometry) na jednym ładowaniu. Baterie litowo-jonowo nie są w stanie jej osiągnąć bez zwiększenia swoich rozmiarów, wagi i ceny. Natomiast siarka jest tania, a jej zasoby szeroko dostępne. Obiecująca alternatywa Li/S póki co nie została wdrożona, ponieważ głównym mankamentem tego typu systemów była szybko spadająca pojemność. Jednym z powodów jest rozpuszczanie pośrednich produktów reakcji – polisiarczków litu z katody w elektrolicie, które reagując z litową anodą tworzą warstwę zaporową Li2S. Innym problemem są zmiany objętości katod spowodowane absorpcją jonów. Pęcznienie i kurczenie elektrod to duże źródło naprężeń mechanicznych, co wpływa na ich degradację (niszczenie) oraz zmniejsza obszar elektrody, w którym może wystąpić reakcja.
Akumulator stworzony przez naukowców z Berkeley Lab w Kalifornii ma stanowić rozwiązanie dotychczasowych problemów. Nanokompozytowe katody z siarki i płatków tlenku grafenu (z ang. sulfur-graphene oxide, S-GO) pokryto warstwą ochronną bromku cetylotrimetyloamoniowego (z ang. cetyltrimethyl ammonium bromide, CTAB). W celu zwiększenia przewodności dodano także cząsteczki węgla w postaci sadzy. Elastomerowe spoiwo styren-butadien-kauczuk oraz polimer zagęszczający – karboksymetyloceluloza (z ang. styrene-butadiene-rubber/carboxymethyl cellulose, SBR/CMC) to środki wiążące i ograniczające degradację mechaniczną związaną ze zmianami objętości. Powłoka CTAB na elektrodzie to substancja powierzchniowo czynna, która zmniejsza zdolność elektrolitu do wnikania, rozpuszczania i niszczenia katody. Tlenek grafenu (z ang. graphene oxide, GO) został utworzony na skutek złuszczania za pomocą fal ultradźwiękowych umieszczonego w wodzie tlenku grafitu. Pomimo tego, że tlenek grafenu nie jest idealnym przewodnikiem elektrycznym, zapewnia odpowiedni przepływ ładunku do siarki. Dodatkową zaletą zastosowania płatków tlenku grafenu jest ochrona jednej strony warstwy siarki przed degradacją konstrukcji. Oprócz elektrod, zespół opracował także nowy elektrolit na bazie cieczy jonowej. Gwarantuje on połączenie właściwej lepkości oraz przewodności jonowej przy zrównoważonym zakresie temperatur pracy. Zmniejsza również tendencję do tworzenia polisiarczków litu poprzez wprowadzenie 1,3-dioksolanu (z ang. 1,3-dioxolane, DOL) oraz dimetoksyetanu (z ang. dimethoxyethane, DME). Azotan litu (LiNO3) zmniejsza uszkodzenia powierzchni anody wykonanej z litu metalicznego. Nowy elektrolit zwiększa także szybkość ładowania akumulatora i poprawia bezpieczeństwo, gdyż ciecze jonowe są nielotne i niepalne.
Wykres przedstawia zależność pojemności [mAh/g] kompozytowej katody w baterii Li/S od liczby cykli ładowania/rozładowania. Autor: Berkeley Lab
Słowo “przełom” ostatnimi czasy jest zbyt często wykorzystywane, ale w tym wypadku nie wydaje się ono być nadużyciem. Komórka Li/S naładowana i rozładowana w tempie 20-godzinnym wykazała początkowo nagromadzenie energii na ponad 500 W⋅h/kg. Po wykonaniu ponad tysiąca cykli, energia właściwa utrzymywała się na poziomie wyższym niż 300 W⋅h/kg (typowa wartość energii dla baterii litowo-jonowych szacowana jest na około 200 W⋅h/kg). Szczegółowe wyniki badań dostępne są w internetowym wydaniu czasopisma Nano Letters, którego adres zamieszczony jest w źródłach artykułu [2].
Niezwykła kombinacja wielu materiałów umożliwiła wykonanie baterii litowo-siarkowej o wyjątkowo długiej żywotności i bardzo dobrych parametrach pojemnościowych. Naukowcy pracują obecnie nad zoptymalizowaniem technologii produkcji baterii w celu ich komercjalizacji. Potencjalnych zastosowań jest ogrom – telefony, aparaty, urządzenia przenośne, samochody hybrydowe i zasilane wyłącznie z akumulatorów, a także stacjonarne systemy magazynowania energii wiatrowej i słonecznej. Podróż ekologicznym samochodem z Londynu do Paryża na jednym ładowaniu wydaje się coraz bardziej rzeczywista.
Źródło:
[1] A Long-Life, High-Rate Lithium/Sulfur Cell: A Multifaceted Approach to Enhancing Cell Performance. Min-Kyu Song, Yuegang Zhang, and Elton J. Cairns. Nano Lett., Article ASAP. DOI: 10.1021/nl402793z. Publication Date (Web): November 12, 2013
[2] http://techportal.eere.energy.gov/techpdfs/2013-099pub.pdf [04.12.2013]
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/nl402793z/suppl_file/nl402793z_si_001.pdf [04.12.2013]
[4] http://eetd.lbl.gov/news/article/57182/holistic-cell-design-by-berkele [04.12.2013]
[5] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl402793z [04.12.2013]
[6] Electric Cars at NAIAS 2013 by MotorBlog.com, Flickr.com, CC By 2.0