Akumulatory litowo-siarkowe są bardzo obiecujące, jeśli chodzi o magazynowanie energii, i to nie tylko dlatego, że siarka jest obfita przez co jej pozyskiwanie sprawia o wiele mniej problemów, niż pozyskiwanie kobaltu, manganu, które stosowane są w dzisiejszych bateriach. Siarkowe akumulatory są również w stanie przechowywać więcej energii, niż litowo-jonowe. Mają jednak jeden poważny problem – chodzi o tworzenie się związków chemicznych zwanych polisiarczkami.
Podczas pracy akumulatora, polisiarczki przedostają się do jego elektrolitu, czyli roztworu odpowiedzialnego za przenoszenie ładunku pomiędzy anodą i katodą. Obecność polisiarczków powoduje, że drastycznie pogarsza się zarówno pojemność i żywotność akumulatora, co oczywiście sprawia, że są one aktualnie bezużyteczne jeśli chodzi o zastosowania komercyjne. Naukowcy z Drexel University twierdzą, że udało im się rozwiązać ten problem.
Nowy akumulator litowo-siarkowy bez problemów z polisiarczkami
Za dotychczasowe rozwiązanie problemu polisarczków uznawana była zamiana elektrolitu węglanowego na elektrolit eterowy, który nie wchodzi z nimi w reakcję. To jednak powodowało kolejny problem – elektrolit eterowy jest bardzo lotny i zawiera składniki o niskich temperaturach wrzenia, co oznacza, że akumulator może szybko ulec awarii lub stopić się, jeśli zostanie ogrzany powyżej temperatury pokojowej.
Czytaj również: Akumulator litowo-siarkowy z domieszką kevlaru. Naukowcom udało się stworzyć niemal idealne ogniwo nowego typu
Naukowcy z Drexel mają inny pomysł. Pracują nad nową katodą, która mogłaby współpracować z używanymi aktualnie elektrolitami węglanowymi. Katoda ta wykonana jest z nanowłókien węglowych, dzięki czemu w znacznym stopniu potrafi spowolnić ruch polisiarczków, ale… w elektrolicie eterowym. Cała sztuczka polega na tym, żeby to samo działo się w elektrolicie węglanowym.
— Posiadanie katody, która współpracuje z elektrolitem węglanowym, jest najrozsądniejszym rozwiązaniem, jeśli chodzi o zastosowania komercyjne. Zamiast więc naciskać na stosowanie nowego elektrolitu, naszym celem było stworzenie nowej katody, współpracującej ze stosowanymi już rozwiązaniami – mówi główny badacz Vibha Kalra.
Naukowcy podjęli próbę zamknięcia siarki w siatce z nanowłókien węglowych, aby zapobiec niebezpiecznym reakcjom chemicznym. Nie przyniosło to do końca pożądanego efektu, ale jak się okazało, faktycznie wykrystalizowało siarkę w nieoczekiwany sposób i przekształciło ją w coś, co nazywa się jednoskośną siarką w fazie gamma, nieco zmienioną formę pierwiastka. Ta chemiczna forma siarki była wytwarzana wcześniej tylko w wysokich temperaturach w laboratorium i czasem obserwowana w naturalnych szybach naftowych. Dogodnie dla naukowców nie reaguje ona z elektrolitem węglanowym, co eliminuje ryzyko tworzenia się polisiarczków.
— W ostatnim stuleciu przeprowadzono tylko kilka badań, które wytworzyły jednoskośną gamma siarkę i była ona stabilna tylko przez co najwyżej 20-30 minut. Nam udało się umieścić ją w katodzie, która przeszła tysiące cykli ładowania bez pogorszenia wydajności. Po roku działania, jej faza chemiczna pozostała taka sama – tłumaczy Rahul Pai, współautor badania.
Katoda pozostawała stabilna przez rok testów i 4000 cykli ładowania, co według naukowców odpowiada 10 latom regularnego użytkowania. Prototypowy akumulator z katodą nowego rodzaju miał też trzykrotnie większą pojemność niż standardowy akumulator litowo-jonowy. Teraz pozostaje tylko, aby producenci aut elektrycznych zainteresowali się pracą naukowców z Uniwersytetu Drexel. Jeśli nowa katoda rzeczywiście umożliwi stosowanie akumulatorów litowo-siarkowych, rozwiąże to sporo problemów. Nie tylko tych, które dotyczą dzisiejszego zasięgu aut elektrycznych.
