Nowe spojrzenie na stare wyzwanie
Zespół z Helmholtz-Zentrum Berlin zastosował tomografię neutronową operando. Chodzi o technikę pozwalającą obserwować lekkie pierwiastki w działających ogniwach typu pouch. Jak podkreśla Yan Lu z tamtejszego instytutu, dzięki zastosowanej strategii mogli po raz pierwszy zaobserwować, jak ciekły elektrolit zachowuje się w czasie rzeczywistym i jak zwilżanie zmienia się lokalnie w różnych warstwach ogniwa. Okazało się, że elektrolit w bateriach litowo-siarkowych nie rozprowadza się równomiernie, tworząc obszary o różnym nasyceniu, które dynamicznie ewoluują.
Czytaj też: Rewolucja w energetyce! Nowe ogniwa wodorowe deklasują konkurencję
Główna przeszkoda w rozwoju tych ogniw tkwi w ich konstrukcji. Choć teoretycznie mogą osiągać ultrawysokie gęstości energii powyżej 700 Wh/kg. niemal trzykrotnie więcej niż obecne rozwiązania litowo-jonowe, to praktyczna realizacja wymaga minimalizacji ilości elektrolitu. Badania pokazały jednak, że w testowanych prototypach początkowy poziom zwilżenia elektrod wynosił zaledwie 58-59%, co oznacza, że prawie połowa materiału aktywnego pozostaje bezużyteczna. Co gorsza, długotrwały postój baterii poprawiał ten stan minimalnie. Wzrost opiewał na zaledwie 1% w ciągu sześciu godzin. Najciekawsze zjawisko ujawniło się podczas pracy baterii. Naukowcy zaobserwowali proces określany mianem “oddychania ogniwa”. W jego ramach elektrolit wykazuje cykliczne ruchy przypominające wdech i wydech. Zjawisko to, ściśle powiązane z rozpuszczaniem i wytrącaniem związków siarki, znacząco różni się od zachowania elektrolitu w konwencjonalnych bateriach. Podczas pierwszego cyklu rozładowania zwilżenie wzrosło z 59,5% do 64%, co przełożyło się na realny wzrost pojemności z 410 mAh/g do około 650 mAh/g.
Ścieżka do komercjalizacji, czyli jak wygląda przyszłość tej technologii
Tempo ładowania okazało się kluczowe. Wolniejsze ładowanie (0,06 C) sprzyjało równomierniejszemu rozprowadzeniu elektrolitu, podczas gdy szybkie ładowanie (0,3 C) pogarszało ten proces. Co istotne, pierwszy cykl pracy był najbardziej krytyczny. W takich okolicznościach poprawa zwilżenia wyniosła około 8%, podczas gdy w drugim już tylko 6%. Sugeruje to, że właściwa aktywacja nowej baterii może zadecydować o jej późniejszej żywotności. Obiecujące parametry baterii litowo-siarkowych wynikają głównie z wykorzystania taniej i powszechnie dostępnej siarki zamiast rzadkich metali, takich jak kobalt czy nikiel.
Czytaj też: Wodór za 1,52 dolara i czysta woda w jednym systemie. Naukowcy stworzyli przełomowe rozwiązanie energetyczne
Yan Lu podkreśla znaczenie odkryć. Jego zdaniem ostatnie postępy zapewniają ważny wkład w zrozumienie mechanizmów prowadzących do szybkiego starzenia się i awarii nośników energii. Zrozumienie unikalnej dynamiki elektrolitu w tych ogniwach otwiera drogę do projektowania lepszych rozwiązań. Choć technologia, o której mówimy, wciąż ma przed sobą długą drogę, obserwacje niemieckiego zespołu rzucają nowe światło na problemy stojące dotychczas na drodze do komercjalizacji. Jeśli uda się przełożyć tę wiedzę na praktyczne rozwiązania, może to przybliżyć nas do samochodów elektrycznych o zasięgu ponad 1000 kilometrów czy wydajniejszych autonomicznych robotów.