Zespół badawczy chce dalej zwiększać potencjał baterii litowo-siarkowych

Naukowcy z Vanderbilt University oraz University of Maryland przedstawili nową chemię komórkową, która może znacząco zwiększyć gęstość energii baterii litowo-siarkowych. Dzięki zastosowaniu chloru ten podejście umożliwia dodatkową przekazę elektronów przy wyższej napięciu.

Grafika: Vanderbilt University

Baterie litowo-siarkowe od dawna uważane są za obiecującą alternatywę dla klasycznych komórek litowo-jonowych, ponieważ siarka jest powszechnie dostępna i może przechowywać znacznie więcej ładunku na jednostkę masy. Do tej pory jednak realizacja ich tak, by były trwałe i przydatne w praktyce, okazała się trudna.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie specjalistycznym „Nature Energy” zespół z amerykańskich uniwersytetów Vanderbilt University i University of Maryland opisuje nowe podejście, w którym siarka bierze udział w dodatkowej reakcji magazynowania energii. Rezultatem jest akumulator oparty na siarczku, który działa przy wyższej średniej napięciu i może przechowywać więcej energii.

Prototyp baterii litowo-siarkowej był w stanie przechować 1.700 watogodzin energii

Podczas gdy w tradycyjnych systemach każdy atom siarki wymienia dwa elektrony, nowatorski system integruje również chlore, aby przekazać trzeci elektron. W testach laboratoryjnych zwiększyło to pojemność magazynowania siarki o około 58 procent oraz podniosło średnie napięcie pracy z około 2,05 wolta do 2,54 wolta. Dzięki połączeniu zwiększonej zdolności przechowywania ładunku i wyższego napięcia kilogram siarki w eksperymentalnej komórce testowej mógł przechować ponad 1700 watogodzin energii.

Aby zapewnić odwracalność, badacze wykorzystali symulacje molekularne do projektowania elektrolitu. Ten utrzymuje chlore w stanie reaktywnym, jednocześnie zapobiegając rozpuszczaniu się powstającego produktu siarka-chlore i jego przemieszczaniu się do anody z metalicznym litusem.

78 procent pojemności po 100 cyklach ładowania

Różne techniki spektroskopowe potwierdziły, że siarka podczas procesów ładowania i rozładowania wielokrotnie przechodzi przez nowy stan. Budowana komórka typu Pouch zachowała po 100 cyklach ładowania 78 procent swojej początkowej pojemności.

Aby jednak doprowadzić ją do użycia komercyjnego, potrzeba jeszcze wiele pracy, ponieważ prototyp wykorzystuje anodę z litu metalicznego oraz większe ilości elektrolitu. Biorąc pod uwagę wszystkie istotne komponenty baterii – a nie tylko elektrody – naukowcy szacują, że ten podejście mogłoby umożliwić gęstość energii na poziomie 477 Wh/kg. Oznaczałoby to wartość o około 37 procent wyższą niż w porównywalnym konwencjonalnym systemie litu-siarki.

„Tradycyjne podejście do baterii litowo-siarkowych sprawia, że część zdolności redoks siarki pozostaje niewykorzystana” – powiedział De-en Jiang, profesor inżynierii procesowej i chemii na Uniwersytecie Vanderbilt oraz współautor artykułu. „Chcieliśmy sprawdzić, czy możemy rozszerzyć zdolności redoks siarki i wykorzystać je do przechowywania większej ilości energii.”