Zespół naukowców Uniwersytetu Stanforda i SLAC National Accelerator Laboratory pod kierownictwem profesora Yi Cui opracował nowy sposób ograniczenia degradacji ogniw litowo-siarkowych

Zespół naukowców Uniwersytetu Stanforda i SLAC National Accelerator Laboratory pod kierownictwem profesora Yi Cui opracował nowy sposób ograniczenia degradacji ogniw litowo-siarkowych. Tradycyjnie ogniwa litowo-siarkowe osiągają energie właściwe na poziomie kilkuset Wh/kg, jednak za cenę bardzo niewielkiej trwałości i niskiej mocy właściwej.

Amerykański zespół uzyskał ogniwo litowo-siarkowe o pojemności 1030 mAh/g, które charakteryzuje się sprawnością 98,4%. Na przestrzeni 1000 cykli prądami 0,5 C pojemność spadła zaledwie o około 1/3, co jest niespotykanym dotąd wynikiem.

Obiecujące osiągnięcie polega na zamknięciu nanocząsteczek siarki w swego rodzaju osłonie/skorupie z TiO₂, dzięki czemu rozwiązuje się szereg istotnych problemów, z których największym jeśli chodzi o trwałość jest rozszerzanie się (o około 80%) siarki tworzącej z jonami litu związek metaliczny. Dzięki osłonie zmiany rozmiaru zachodzą jedynie lokalnie w nanostrukturach, nie rujnując konstrukcji ogniwa.

W eksperymentach z litową anodą zakres napięć pary elektrochemicznej wynosił 1,7-2,6 V. Maksymalna pojemność siarkowej katody wyniosła 1215 mAh, co oznacza blisko 75% maksymalnej wartości teoretycznej dla siarki oraz przede wszystkim nawet pięciokrotnie wyższy rezultat od akumulatorów litowo-jonowych dostępnych obecnie w sprzedaży.

Wcześniej zespół profesora Yi Cui opracował analogiczny sposób zabezpieczania krzemowej anody w akumulatorach litowo-jonowych, zamykając niewielkie cząsteczki krzemu w węglowych osłonach/skorupach. W tamtejszych badaniach również udało się zachować wysoką pojemność elektrody (rzędu 1000 mAh/g) na przestrzeni ponad 1000 cykli ładowania/rozładowania. Wcześniej zmiany rozmiaru nanocząsteczek krzemu podczas ładowania/rozładowania, sięgające nawet kilkuset procent objętości, doprowadzały do szybkiego zniszczenia elektrody.

Innymi rozwiązaniami w tej dziedzinie były specjalne spoiwa dla krzemu (wcześniejszy wpis) i nanorurki węglowe dla siarki (wcześniejszy wpis), jednak dopiero indywidualne osłony siarkowych nanocząsteczek z TiO₂ przyniosły znaczący postęp.

Następnym celem zespołu jest połączenie obu rozwiązań, czego owcem powinny być ogniwa litowo-siarkowe z krzemową anodą o bardzo wysokich energiach właściwych i wysokiej trwałości.

O ile naukowcom Uniwersytetu Stanforda uda się zaprojektować ogniwa o energiach właściwych przynajmniej 2-3 krotnie wyższych od obecnie stosowanych akumulatorów litowo-jonowych, do czasu ich komercjalizacji może minąć jeszcze kilka lat. Nieznane pozostają koszty produkcji, chociaż zastosowane materiały są tanie i powszechnie dostępne. Wybiegając w przyszłość można oczekiwać, że w samochodach elektrycznych najprawdopodobniej będą stosowane ogniwa o dużych pojemnościach - z jednej strony, aby zestawić pakiet o wystarczająco dużym napięciu, a z drugiej strony ze względu na niższe dopuszczalne prądy.

Najprawdopodobniej to właśnie bardzo obiecująca przyszłość akumulatorów litowo-siarkowych skłoniła firmę BASF do przejęcia za 50 mln USD amerykańskej firmy Sion Power (wcześniejszy wpis), która celuje w 600 Wh/kg i wytrzymałość 1000 cykli do 2016r.