Progrese în bateriile cu litiu-sulf - noul design al catodului face ca bateriile să fie dense în energie
Noul design cu catod face bateriile cu densitate energetică mai durabile și mai puternice
Concept îmbunătățit de baterie: cercetătorii au oferit bateriilor litiu-sulf mai multă putere și longevitate - cu un nou design al catodului de sulf. Acest lucru previne degenerarea electrodului de sulf chiar și cu straturi mai groase de sulf și permite densități de putere mai mari de 1.200 miliampere ore pe gram, după cum raportează cercetătorii în revista „Science Advances”. Acest lucru ar putea face bateriile cu litiu-sulf practic utilizabile în viitor.
Bateriile litiu-ion se găsesc în aproape toate dispozitivele mobile, în mașinile electrice și în multe alte aplicații pentru baterii de astăzi. Dar aceste baterii au unele puncte slabe: pot exploda, pot pierde capacitatea în timp și densitatea lor de energie nu este optimă - acest lucru limitează gama de mașini electrice, printre altele. De aceea, cercetătorii din întreaga lume caută alternative mai puternice la bateriile litiu-ion; bateriile litiu-metalice, bateriile sodiu-ion sau bateriile litiu-sulf sunt considerate candidați.
Sulful în loc de grafit
Bateriile cu litiu-sulf folosesc un amestec de sulf și carbon ca catod. Când bateria este descărcată, litiul metalic din anod reacționează cu sulful pentru a forma sulfură de litiu, eliberând astfel electricitate. În termeni pur teoretici, bateriile cu litiu-sulf ating o densitate de energie aproape optimă - și, prin urmare, ar putea crește în mod semnificativ gama de mașini electrice cu o greutate mai mică.
Dar, în practică, aceste baterii au o problemă: în timp, structura și volumul catodului se schimbă drastic. Ca urmare, performanța bateriei scade semnificativ la fiecare ciclu de încărcare. „Acest efect secundar al dezintegrării electrodului devine din ce în ce mai pronunțat pe măsură ce catodul devine mai gros”, explică Mahdokht Shaibani de la Universitatea Monash din Australia și colegii ei.
Acesta este motivul pentru care cercetătorii au produs deja baterii litiu-sulf de lungă durată, de înaltă performanță ca butoane, dar bateriile mai mari au o durată de viață slabă.
Microstructura catodului optimizată
Este posibil ca Shaibani și echipa ei să fi găsit acum o soluție la această problemă de scalare. Ați dezvoltat catoduri de sulf, a căror structură minimizează modificările de volum, chiar și cu baterii mai mari. Nucleul conceptului este agentul de legare fabricat din carboximetil celuloza de sodiu (Na-CMC), care ține sulf și carbon la nivelul catodului și are astfel o influență decisivă asupra comportamentului și microstructurii.
Cercetătorii au dezvoltat o metodă de fabricație pentru noua lor baterie litiu-sulf care distribuie agentul de legare mai eficient și în același timp mai fin în materialul catodic. „Acest lucru permite formarea de punți puternice mecanic între materiale și creează catoduri cu o arhitectură unică”, raportează Shaibani și colegii ei. „Acești catozi au suprafețe mari de reacție, pot rezista la stresul de încărcare și au o conductivitate electrică și permeabilitate ionică ridicată.”
Eficiență și capacitate ridicate
Dar ce aduce de fapt asta? Pentru a testa acest lucru, cercetătorii au construit catoduri de sulf pe baza noului design și le-au încorporat în celule de pungă - baterii mai mari cu carcase flexibile, precum cele utilizate în vehiculele electrice. Testul a arătat că acești catodi au atins o capacitate de peste 1.200 mAh pe gram - aceasta este de aproximativ trei ori valoarea bateriilor convenționale litiu-ion.
Dar și mai important: bateriile cu litiu-sulf au pierdut cu greu puterea lor chiar și după mai mult de 200 de cicluri de încărcare. „Un astfel de nivel de capacitate susținută a fost până acum inaccesibil pentru catodii de sulf de această grosime”, afirmă oamenii de știință. În același timp, catodul său a atins o eficiență de 99%. „Din câte știm, această combinație de stabilitate și eficiență excelentă a ciclului este unică pentru catodii cu un conținut atât de ridicat de sulf”, raportează ei.
Ieftin, mai ecologic și ușor de produs
Potrivit cercetătorilor, metoda lor de fabricație rezolvă problema scalării bateriilor cu litiu-sulf și ar putea astfel face ca densitatea lor ridicată de energie să poată fi utilizată în practică în viitor. „Această abordare nu numai că ne oferă baterii cu performanțe ridicate și durată lungă de viață, ci sunt de asemenea ușor și ieftin de fabricat”, explică co-autorul Matthew Hill al organizației de cercetare australiene CSIRO.