Od lat mówi się, że następna wielka rewolucja w magazynowaniu energii ma przyjść wraz z akumulatorami litowo-siarkowymi. Teoretycznie mają one wszystko, czego brakuje popularnym ogniwom litowo-jonowym, ale ich praktyczne wykorzystanie okazało się jednak znacznie bardziej kapryśne. Przez lata naukowcy na całym świecie głowili się, jak rozwiązać fundamentalne problemy tej technologii, które skutecznie blokowały jej komercyjne wdrożenie. Może się to wreszcie zmienić, bo zespół badaczy z koreańskiego instytutu DGIST ogłosił opracowanie nowego materiału, który ma radykalnie poprawić kluczowe parametry akumulatorów litowo-siarkowych. Ich praca koncentruje się na sercu problemu, bo materiale elektrodowym, który miałby jednocześnie przechowywać siarkę i przewodzić prąd, co do tej pory było nie lada wyzwaniem.
Nowy kompozyt węglowo-tytanowy jako pułapka na siarkę
Odpowiedzią koreańskiego zespołu pod kierunkiem profesora Jongsunga Yu jest kompozyt oznaczony jako TiO-NGPC. Jest to porowaty materiał węglowy o strukturze przypominającej plaster miodu, który został wzbogacony azotem i nanocząstkami tlenku tytanu. Kluczową zaletą tej hybrydowej konstrukcji jest jej podwójne działanie. Porowata, grafitowana struktura węgla zapewnia doskonałą przewodność elektryczną, kompensując naturalnie słabe właściwości przewodzące samej siarki. Jednocześnie obecność polarnego tlenku tytanu i azotu działa jak molekularny klej, który ma skutecznie wiązać powstające podczas pracy ogniwa polisulfidy litu, zapobiegając ich wyciekowi do elektrolitu i degradacji baterii. Szczegóły dotyczące opracowania tego wielofunkcyjnego materiału węglowego zostały opisane w publikacji naukowej.
Czytaj też: Panele słoneczne mogą “mnożyć” światło. Rekordy dopiero przed nami
Interesujące jest to, że nowy kompozyt nie pełni jedynie biernej funkcji stabilizatora. Badania wskazały, że działa on również jak katalizator, aktywnie przyspieszając reakcje chemiczne zachodzące podczas ładowania i rozładowywania ogniwa. W praktyce przekłada się to na wyższą wydajność całego systemu oraz, przynajmniej w warunkach laboratoryjnych, na przedłużenie jego żywotności. Co z kolei istotne z perspektywy przyszłej produkcji, naukowcy opracowali także stosunkowo prostą metodę wytwarzania TiO-NGPC, wykorzystując proces redukcji magnezowej. Pozwala to na stworzenie gotowego materiału w jednym, zintegrowanym procesie, co może znacząco wpłynąć na późniejsze koszty i skalowalność ewentualnej produkcji.
Rewolucyjność TiO-NGPC drogą do akumulatorów litowo-siarkowych?
Nowy materiał najlepiej zrozumieć, wyobrażając go sobie nie jako jedną “bryłę elektrodową”, ale jako przemyślanie zaprojektowane środowisko pracy dla siarki. Grafitowana, porowata struktura węglowa to coś więcej niż tylko nośnik. Jej liczne kanały i wnęki pozwalają rozprowadzić siarkę w postaci cienkich warstw i drobnych cząstek, dzięki czemu dystans, jaki muszą pokonać elektrony i jony litu, wyraźnie się skraca. Dla akumulatora oznacza to mniejsze straty, bardziej równomierne obciążenie i mniejszą skłonność do powstawania lokalnych “gorących punktów”, w których materiał szybciej się degraduje.
Czytaj też: Chińska chemia chce przejąć akumulatory przyszłości. Tinci właśnie zgarnęło 8 kluczowych patentów
Polarny tlenek tytanu i domieszka azotu nadają temu układowi drugi wymiar działania. W klasycznych katodach litowo-siarkowych polisulfidy litu zachowują się jak nieproszony gość, który przedostaje się wszędzie, gdzie tylko znajdzie lukę. Tu trafiają na powierzchnie, z którymi chemicznie “lubią” się wiązać. Na poziomie atomowym oznacza to, że zamiast swobodnie dryfować w stronę elektrolitu, zostają związane na miejscu i włączone z powrotem w cykl reakcji. Efekt uboczny jest bardzo pożądany: zmniejsza się efekt wędrówki polisulfidów między elektrodami, który w klasycznych ogniwach odpowiada za utratę pojemności i gwałtowny spadek sprawności.
Czytaj też: Natura podpowiada atomowi jak być wydajniejszym. Naukowcy odkryli sposób na potrojenie mocy reaktorów
W samych testach elektrochemicznych materiał nie ogranicza się do roli biernego “uchwytu” na siarkę. Wykazuje działanie katalityczne, czyli przyspiesza reakcje utleniania i redukcji, które zachodzi podczas ładowania i rozładowywania ogniwa. To dlatego w badaniach udało się uzyskać wysoką pojemność właściwą przekraczającą 1000 mAh na gram siarki oraz utrzymać sensowne parametry po tysiącu cykli pracy. Co ważne, autorzy pokazują nie tylko małe ogniwa laboratoryjne, ale także prototyp ogniwa, co jest kolejnym krokiem w stronę realnych zastosowań.
Obiecująca technologia, ale długa droga do realizacji
Na tym etapie trudno jeszcze przesądzać, czy TiO-NGPC trafi kiedykolwiek do akumulatora w samochodzie, czy samolocie, a jeśli tak, to w jakiej formie. Jednak tego typu prace stopniowo zmieniają spojrzenie świata na akumulatory litowo-siarkowe. Zamiast kolejnych prób łatania skutków ubocznych, takich jak ucieczka polisulfidów, coraz częściej pojawiają się projekty, które od początku projektują strukturę materiału elektrodowego pod kątem kontrolowania całej chemii ogniwa. To właśnie w takich pozornie mało efektownych szczegółach budowy katody rozstrzyga się, czy obietnice wysokiej gęstości energii i niskiej masy mają jakąkolwiek szansę na realizację.