Pozrite si
Lítium-iónové batérie sú síce základom systémov na ukladanie energie a pohon mobilných a prenosných zariadení dlhé roky, ale medzi jednotlivými technológiami sú podstatné rozdiely. Veľkú časť samotných batérií tvoria elektródy, kde sa lítium ukladá a nezabúdajme na elektrolyt. Aj preto je hľadanie materiálov elektród, ktoré dokážu uložiť viac lítia, cestou k ľahším a kompaktnejším Li-ion batériám. Jednou z možností sú kremíkové elektródy, ktoré v energetickej hustote prekonávajú bežne používaný grafit.
Existujú však materiály, ktoré dokážu uložiť ešte viac lítia ako kremík. Príkladom je síra. Batériám Li-S sme sa niekoľkokrát venovali aj na našich stránkach. Síra má však tendenciu produkovať ióny, ktoré môžu vyplávať do elektrolytu. Navyše má tendenciu expandovať úmerne množstvu lítia, ktoré sa ukladá, čo spôsobuje fyzické napätie na štruktúre batérie. Hoci vyrobiť lítium-sírové batérie nie je ťažké, ich výkon a kapacita majú tendenciu rýchlo klesať.
Obsah pokračuje pod reklamou
V týchto dňoch však tím čínskych a nemeckých vedcov opísal lítium-sírovú batériu, ktorá má po 25 000 cykloch nabíjania/vybíjania stále viac ako 80 percent svojej pôvodnej kapacity. Technológia s bizarným názvom all-solid-state lithium–sulfur battery (ASSLSB), voľne preložené Li-S batéria v úplne pevnej fáze, používa pevný elektrolyt, ktorý je reaktívnejší ako samotná síra. Výskum bol publikovaný v magazíne Nature. Lítium-sírové batérie by mohli fungovať viac-menej rovnakým spôsobom ako súčasné lítium-iónové batérie.
Princíp Li-S batérie si môžete pozrieť v nasledujúcom videu:
Elementárna síra použitá ako elektróda je však veľmi zlým vodičom elektriny, takže musí byť rozptýlená v sieti vodivého materiálu. (Podobne funguje grafit v bežných Li-ion batériách, ktorý ukladá lítium a vedie elektrinu relatívne dobre.) Lítium sa tam skladuje ako Li2S a zaberá podstatne viac miesta ako elementárna síra, ktorú nahrádza.
Oba tieto problémy sa dajú vyriešiť konštrukciou batérie. Väčšou výzvou sú reakcie lítia a síry na elektróde. Elementárna síra existuje ako osematómový kruh a reakcie s lítiom sú dostatočne pomalé na to, aby nakoniec vytvorili polostabilné medziprodukty s menšími reťazcami síry. Tie sa rozpúšťajú vo väčšine elektrolytov a putujú k opačnej elektróde, kde chemicky reagujú. Spôsobuje to jalové vybíjanie batérie a znižuje jej kapacitu.
Spolupráca čínskych a nemeckých vedcov sa zameriava na relatívne pomalú chemickú reakciu medzi lítiovými iónmi a elementárnou sírou. Tá predstavuje prekážku rýchleho nabíjania, čo je problém pre aplikácie v elektromobiloch. Ďalším cieľom bolo obmedzenie tvorby neaktívnych medziproduktov počas tejto reakcie, ktorá skracuje životnosť lítium-sírových batérií.
Riešením bolo použitie špeciálneho tuhého elektrolytu. Pevné elektrolyty majú pórovitú štruktúru na atómovej úrovni, pričom prostredie vo vnútri pórov je priaznivé pre ióny. Kritické je, že póry, ktoré uprednostňujú tranzit kompaktných lítiových iónov, pravdepodobne neumožnia tranzit veľkých ionizovaných reťazcov síry. Pevný elektrolyt by teda mal pomôcť znížiť problémy, ktorým čelia lítium-sírové batérie. S rýchlym nabíjaním to však nemusí nevyhnutne pomôcť.
Vedci začali testovaním skla vytvoreného zo zmesi bóru a síry. Ale toto sklo malo zlú vodivosť, takže začali experimentovať s príbuznými materiálmi a rozhodli sa pre kombináciu s trochou fosforu a jódu. Výsledkom je oveľa lepší elektrolyt, ktorý umožňuje aj rýchle nabíjanie.
Vedcov prekvapila odolnosť výslednej batérie. Dokonca aj pri strednej rýchlosti nabíjania 5 C mala po 25 000 cykloch nabíjania/vybíjania stále viac ako 80 percent pôvodnej kapacity. Naproti tomu bežné lítium-iónové batérie majú tendenciu dosiahnuť túto úroveň degradácie po približne 1 000 cykloch, hoci už boli vyvinuté batérie so životnosťou až 5 000 cyklov. To je pri elektromobiloch synonymom večnosti, keďže pri dojazde napríklad 400 km na jedno nabitie by takáto batéria umožnila najazdiť až 2 milióny kilometrov. A čo potom päťnásobok?
Nie je však jasné, či nová batéria naplno využíva výhodu pôvodných Li-S batérií – vyššiu objemovú aj gravimetrickú energetickú hustotu. Isté je, že permanentné zlepšovanie energetickej hustoty, životnosti, bezpečnosti a ďalších parametrov batérií pokračuje a prinesie lepšie elektromobily, prenosné zariadenia, aj záložné zdroje.
Zdroj