Batérie Li-S inšpirované živými 3D štruktúrami môžu znamenať revolúciu

Dlhá životnosť, vysoká energetická hustota, prijateľná cena, bezpečnosť, schopnosť rýchleho nabíjania, ale aj dodávať veľký prúd pri vybíjaní, a to všetko pri dostupnej cene. Moderné batérie by mali spĺňať množstvo, často protichodných atribútov.

Všetky súčasne sa dajú dosiahnuť dosť ťažko, ale kontinuálne rastúci dopyt po batériách stimuluje vývoj nových technológií už celé roky. Výsledkom je neustále zlepšovanie parametrov batérií. To prebieha plynulým, evolučným spôsobom. Občas sa však objavia aj revolučné technológie, ktoré by mohli priniesť do vývoja skokové zmeny.

Staronová technológia

Jedným z adeptov sú lítium-sírové batérie (Li-S). Ide o elektrochemický princíp, na ktorom sa pracuje už viac ako desať rokov. Príťažlivosť síry ako materiálu pre elektródy batérií spočíva v jej vysokom energetickom potenciáli, ale aj v dostupnosti a nízkej cene.

Narozdiel od Li-Ion akumulátorov u batérií Li-S nedochádza k interkalácii iónov lítia do štruktúry katódy, ale k vzniku zlúčeniny Li₂S (sulfidu lítneho). Premena síry S₈ na Li₂S prebieha v niekoľkých krokoch od Li₂S₈ , na Li₂S₆ , Li₂S₄, Li₂S₂, až na výsledný Li₂S (viď video).

Praktickému nasadeniu batérií Li-S však bránil nízky počet nabíjacích cyklov (rádovo len niekoľko desiatok, v porovnaní s 500 a viac cyklov pri Li-ion batériách.)

Tím vedcov na čele s Tomášom Kazdom z Ústavu elektrotechnológie na Fakulte elektrotechniky a komunikačných technológií VÚT v Brne však našiel spôsob ako zlepšiť vlastnosti lítium-sírových batérií. Pomôcť má 3D štruktúrovaná katóda inšpirovaná prírodou. Tomáš Kazda už podal aj patentovú prihlášku.

Ako uvádzajú vedci (súčasťou tímu bol aj Marek Slávik zo Slovenska), lítiovo-sírové akumulátory sú vďaka svojej vysokej teoretickej hustote energie a dobrej dostupnosti síry jednou z najsľubnejších koncepcií akumulátorov novej generácie.

Praktické využitie Li-S akumulátorov je veľmi lákavé kvôli veľmi vysokej teoretickej kapacite síry 1 675 mAh/g, čo v kombinácii s potenciálom okolo 2,1 V voči lítiu znamená, že jeho gravimetrická hustota energie dosahuje približne 3 000 Wh/kg.

Namiesto problematického kobaltu lacná síra

Teoretická kapacita síry je oveľa (6- až 10-násobne) vyššia ako kapacita súčasne dostupných katódových materiálov Li-ion batérií ako LiMn₂O₄(148 mAh/g), LiFePO₄ (170 mAh/g), alebo LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂ (280 mAh/g).

Áno, tu je ten kobalt, ktorý sa spomína v súvislosti s jeho ťažbou v neľudských podmienkach, často aj detskými baníkmi, v konžských baniach. Ten kobalt, s ktorým si potom užívame zábavu vo svojich smartfónoch a notebookoch.

Českí vedci vyvinuli spôsob, ako ešte zlepšiť kapacitu Li-S batérií pomocou 3D štruktúrovanej katódy, inšpirovanej biologickými materiálmi. Na štruktúru elektród poslúžila špeciálne upravená morská špongia Spongia officinalis.

Takáto 3D elektróda poskytuje dostatok priestoru pre uloženie síry, imobilizuje polysulfidy vnútri katódy a zlepšuje stabilitu počas cyklu. Nová konfigurácia katódy potom umožňuje dosahovať veľmi vysoké nasýtenie sírou 4,9 mg/cm², čo je takmer štvornásobok oproti štandardnej potiahnutej elektróde.

Napriek vysokej dotácii síry udržuje elektróda počas nabíjacieho-vybíjacieho cyklu vysokú stabilitu v porovnaní so štandardnou elektródou. Dosahuje tiež oveľa vyššiu plošnú kapacitu – viac ako 3,0 mAh/cm².

Čo by mohli nové batérie priniesť

Vďaka vysokej energetickej hustote by sa mohli dramaticky – až štvornásobne – zmenšiť rozmery a hmotnosť súčasných batérií v elektromobiloch, v smartfónoch a v ostatných mobilných zariadeniach, pri zachovaní súčasnej kapacity.

Na druhej strane, pri zachovaní hmotnosti batérií by naopak elektromobily mohli dosiahnuť niekoľkonásobne dlhší dojazd, až 1200 km a viac. (Problematiku nabíjania veľkokapacitných batérií teraz nechajme bokom.)

Všetky tieto možnosti vyzerajú, pochopiteľne, lákavo, ale treba si zároveň uvedomiť, že táto nová technológia batérií zďaleka nedosahuje komerčné štádium. Podobne, ako pri mnohých iných prevratných technológiách, ktoré prinášajú zaujímavé výsledky v laboratóriách, je potrebné na ich praktické nasadenie vyvinúť ešte veľa úsilia.

Podľa odhadu brnenských výskumníkov by nová technológia mohla byť dostupná do desiatich rokov. Nemusíte byť však sklamaní, pretože kým sa tak stane, dostanú sa na trh ďalšie technológie batérií, ktoré v základnom a aplikovanom výskume „šokovali“ pár rokov dozadu.

Možno pôjde „len“ o evolučné vylepšenie Li-ion batérií s pevným elektrolytom, ale aj tie prinesú väčší dojazd elektromobilov, lepšiu výdrž smartfónov a nemali by mať problém s požiarnou bezpečnosťou.