Ponad 1000 km rzeczywistej autonomii: ta bateria litowo-siarkowa wykorzystuje chlorek, aby osiągnąć 477 Wh/kg

Już od ponad 15 lat mówimy o chemii baterii o dużym potencjale, czyli o komórkach litowo-siarkowych, które od dawna są uważane za jedną z najbardziej obiecujących alternatyw w celu przezwyciężenia ograniczeń obecnych baterii. Siarka jest powszechna, stosunkowo tania i ma bardzo wysoką pojemność przechowywania na jednostkę masy, jednak jej praktyczne zastosowanie napotkało różne problemy, szczególnie związane z niskim napięciem pracy, degradacją oraz ruchem związków siarki wewnątrz baterii.

Teraz zespół badaczy z Uniwersytetu Vanderbilt i Uniwersytetu Maryland, we współpracy z naukowcami z innych amerykańskich instytucji, odkrył inną metodę wykorzystania właściwości siarki. Praca opublikowana w Nature Energy zmienia typową reakcję chemiczną, dzięki czemu siarka może brać udział w dodatkowym procesie podczas ładowania i rozładowywania.

Kluczem jest coś tak proste do wyjaśnienia, a jednocześnie tak trudnego do osiągnięcia w praktyce: umożliwienie każdemu atomowi siarki wymiany trzeciego elektronu. W konwencjonalnym akumulatorze litowo-siarkowym siarka bierze udział w reakcji, w której uczestniczą dwa elektrony. Badacze dodali chlor, aby rozszerzyć tę reakcję i doprowadzić siarkę do dodatkowego stanu chemicznego.

Wynik jest szczególnie imponujący, ponieważ nie tylko zwiększa ilość ładunku, który może przechowywać siarka. Nowa reakcja funkcjonuje również przy wyższym napięciu, dzięki czemu jednocześnie poprawia się oba czynniki determinujące energię, jaką może przechowywać bateria: ilość ładunku oraz napięcie, przy którym jest on dostarczany.

Trzeci elektron zmienia możliwości siarki

W testach przeprowadzonych przez zespół nowa chemia pozwoliła zwiększyć o 58% specyficzną pojemność siarki, podczas gdy średnie napięcie pracy wzrosło z około 2,05 do 2,54 woltów. Ta kombinacja umożliwiła osiągnięcie wartości ponad 1.700 Wh/kg na poziomie elektrody, co jest niezwykle wysoką wartością dla baterii eksperymentalnej.

Różnica w porównaniu z konwencjonalną baterią litowo-siarkową polega na dodatkowej reakcji, która zachodzi dzięki chlorkowi. Badacze zdołali w sposób odwracalny przekształcić siarczek litu w dichloran disiarkowca poprzez proces, w którym bierze udział trzy elektrony na atom siarki, zamiast zwykłych dwóch.

To jest ważne, ponieważ siarka ma już korzystną pozycję w porównaniu z innymi materiałami używanymi w elektrodach. Jej obfitość oraz wysoka pojemność właściwa sprawiły, że od lat jest badana jako alternatywa dla materiałów stosowanych obecnie w bateriach litowych, ale do tej pory trudno było wykorzystać cały jej potencjał bez wprowadzania nowych problemów.

Zespół musiał rozwiązać właśnie jeden z tych problemów, zanim mógł używać trzeciego elektronu w sposób odwracalny. Chlore musiał reagować z siarką podczas ładowania, ale tak, aby powstała z tego związek nie mogła przemieszczać się po baterii i reagować z metalowym elektrodą litu.

Aby to osiągnąć, badacze skorzystali z symulacji molekularnych, które umożliwiły badanie zachowania jonów litu i chlorku w różnych elektrolitach. Na podstawie tych wyników opracowali ciekły elektrolit jonowy bogaty w chlorek, zdolny do utrzymywania dostępnych ilości chlorku potrzebnych do reakcji z siarką.

Wybrali również taką składnię, w której produkt powstający z reakcji siarki i chloru nie rozpuszcza się łatwo. Dzięki temu pozostaje w elektrodzie dodatnim i może ponownie ulec reakcji podczas rozładowania, co umożliwia odwracalność procesu.

Badania przeprowadzone za pomocą różnych technik spektroskopii pozwoliły potwierdzić, że siarka rzeczywiście wielokrotnie przechodzi w ten nowy stan chemiczny podczas procesów ładowania i rozładowywania. Nie jest to zatem jedynie teoretyczna ocena tego, co mogłaby robić siarka, lecz reakcja, którą badacze zdołali zaobserwować i powtórzyć w laboratorium.

Jest jednak istotna różnica pomiędzy imponującą wartością 1,700 Wh/kg a tym, co mogłaby osiągnąć pełna bateria. Ta wartość odnosi się do poziomu elektrody i nie reprezentuje gęstości energetycznej pakietu gotowego do zainstalowania w samochodzie elektrycznym. Gdy badacze biorą pod uwagę inne komponenty niezbędne do stworzenia funkcjonalnej baterii, szacunek znacznie spada.

W szczególności zespół oblicza, że technologia ta mogłaby osiągnąć 477 Wh/kg na poziomie całej baterii, co stanowi około 37% więcej niż konwencjonalny system litu i siarki użyty jako punkt odniesienia w badaniu. Ta wartość pozostaje nadal szacunkiem opartym na projekcie eksperymentalnym, a nie komercyjną baterią, którą można by obecnie zainstalować w samochodzie.

Aby sprawdzić, czy nowa chemia może funkcjonować poza małymi komórkami zwykle używanymi we wczesnych fazach badań, naukowcy zbudowali również małą jednowarstwową komórkę typu torba. Po 100 cyklach ładowania zachowała ona 78% swojej początkowej pojemności.

To liczba, która pokazuje, że reakcja może być powtarzana, ale jednocześnie uwydatnia, ile pracy pozostaje do zrobienia. Komórka eksperymentalna wykorzystuje elektrodę z metalicznego litu, nadal stosunkowo małe ilości siarki oraz ilość elektrolitu większą, niż byłaby pożądana w komercyjnej baterii.

Dokładnie tam leży jeden z największych wyzwań w przeniesieniu tej chemii do samochodu elektrycznego. Nie wystarczy osiągnąć wysokiej gęstości energetycznej w materiale aktywnym. Trzeba zmniejszyć ilość elektrolitu, zwiększyć udział materiałów aktywnych, poprawić żywotność, kontrolować reakcje wtórne oraz sprawić, by cały system mógł być produkowany w sposób ekonomiczny i na dużą skalę.

Naukowe badania pokazują jednak, że siarka nadal ma potencjał, by oferować więcej, niż się wcześniej sądziło. Zamiast ograniczać się do udoskonalania konwencjonalnych baterii litowo-siarkowych, badacze zmienili samą reakcję chemiczną, aby wykorzystać dodatkowy elektron i jednocześnie zwiększyć ich napięcie pracy.

Na razie mówienie o samochodach elektrycznych z bateriami zdolnymi do osiągnięcia wartości powyżej 1.700 Wh/kg oznaczałoby mieszanie dwóch zupełnie różnych poziomów badań. Ta wartość odnosi się do elektrody eksperymentalnej. Sami badacze szacują tę wartość na 477 Wh/kg, biorąc pod uwagę główne komponenty systemu, a zanim uda się stworzyć baterię komercyjną, trzeba jeszcze przezwyciężyć liczne przeszkody.

Mimo to wynik ten jest interesujący dla branży motoryzacyjnej, ponieważ bateria, która w praktyce mogłaby osiągnąć kilkaset Wh/kg, umożliwiłaby stworzenie lżejszych pakietów baterii przy tej samej zasięgu, lub znacznie zwiększyć zasięg bez proporcjonalnego wzrostu masy pojazdu. To właśnie jeden z powodów, dla których baterie litowo-siarkowe od lat znajdują się w centrum zainteresowania badaczy.

Praca opublikowana w Nature Energy pokazuje, że droga do osiągnięcia tego celu nie musi przebiegać wyłącznie poprzez dodawanie więcej materiału lub ulepszenie konwencjonalnych elektrod. W tym przypadku rozwiązaniem było włączenie siarki do reakcji trzech elektronów, z wykorzystaniem chlorku oraz elektrolitu specjalnie zaprojektowanego do kontrolowania tego procesu.

Technologia znajduje się jeszcze we wczesnej fazie, a same wyniki badań cyklu komór typu torba odzwierciedlają tę sytuację. Jednak eksperyment otwiera nową drogę w dziedzinie baterii litowo-siarkowych i przede wszystkim pokazuje, że nadal istnieją sposoby na wydobycie większej ilości energii z tak powszechnego materiału jak siarka.