Baterie litowo-siarkowe bliżej komercjalizacji. Naukowcy pokonali kolejną przeszkodę

Naukowcy z Tohoku University oraz współpracujących ośrodków badawczych opracowali nową warstwę pośrednią, która może rozwiązać jeden z największych problemów akumulatorów litowo-siarkowych (Li-S). Dzięki innowacyjnej konstrukcji ogniwa zachowują wysoką pojemność nawet po ponad 1000 cyklach ładowania i rozładowania, jednocześnie oferując znacznie większą gęstość energii niż obecnie stosowane baterie litowo-jonowe.

Litowo-siarkowe baterie mają ogromny potencjał

Od lat akumulatory litowo-siarkowe są postrzegane jako jedna z najbardziej obiecujących alternatyw dla technologii litowo-jonowej. Siarka jest surowcem tanim, powszechnie dostępnym i przyjaznym środowisku, a dodatkowo pozwala magazynować znacznie więcej energii.

Problemem pozostaje jednak tzw. efekt „shuttle” polisiarczków. Podczas pracy baterii powstają rozpuszczalne polisiarczki litu, które przemieszczają się pomiędzy elektrodami. Wywołuje to niepożądane reakcje chemiczne, prowadzące do szybkiego spadku pojemności oraz skrócenia żywotności ogniwa.

Zamiast blokować – kontrolować reakcję

Zespół badaczy postanowił odejść od klasycznego podejścia polegającego na tworzeniu fizycznej bariery dla polisiarczków. Opracowano specjalną warstwę pośrednią, która nie tylko wychwytuje te związki chemiczne, ale również umożliwia ich dalszy udział w reakcjach elektrochemicznych zachodzących wewnątrz baterii.

Nowy materiał nazwano TUS-44@G. Składa się on z kowalencyjnej struktury organicznej wzbogaconej o grafen, tworząc lekką i przewodzącą warstwę pomiędzy elementami ogniwa.

Kluczową rolę odgrywają odpowiednio zaprojektowane miejsca aktywne zawierające atomy azotu, tlenu i siarki, które skutecznie wiążą polisiarczki litu. Z kolei grafen odpowiada za szybki transport elektronów, poprawiając sprawność reakcji zachodzących podczas ładowania i rozładowywania.

Imponujące wyniki testów

Badania laboratoryjne przyniosły bardzo obiecujące rezultaty. Ogniwa wyposażone w warstwę TUS-44@G osiągnęły odwracalną pojemność na poziomie 1455,7 mAh/g przy gęstości prądu 0,2 A/g. Nawet przy bardzo wysokim obciążeniu wynoszącym 10 A/g akumulator utrzymywał pojemność 773 mAh/g.

Równie imponująca okazała się trwałość. W trakcie testu obejmującego 1000 cykli degradacja pojemności wyniosła zaledwie 0,034% na cykl, co stanowi jeden z najlepszych wyników osiągniętych dla tej technologii.

Naukowcy zbudowali również prototyp akumulatora w formacie pouch cell. Uzyskana gęstość energii około 674 Wh/kg pokazuje, że rozwiązanie ma potencjał nie tylko laboratoryjny, ale również przemysłowy.

Warto wiedzieć

Dla porównania, większość współczesnych akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w samochodach elektrycznych osiąga na poziomie ogniwa około 250–300 Wh/kg. Osiągnięcie około 674 Wh/kg w prototypie pokazuje, jak duży potencjał ma technologia Li-S.

Chemia molekularna otwiera nowe możliwości

Autorzy badań podkreślają, że przewagą kowalencyjnych struktur organicznych nad tradycyjnymi materiałami węglowymi jest możliwość precyzyjnego projektowania ich budowy na poziomie molekularnym. Pozwala to jednocześnie zatrzymywać polisiarczki, usprawniać transport elektronów oraz przyspieszać przemiany siarki zachodzące w trakcie pracy akumulatora.

Nowa warstwa została otrzymana metodą syntezy opartą na chemii zasad Schiffa, dzięki czemu powstała dwuwymiarowa, porowata struktura o dużej powierzchni aktywnej. Po naniesieniu jej wraz z grafenem na separator polipropylenowy utworzono cienką warstwę, która skutecznie pochłania elektrolit i ogranicza migrację polisiarczków.

Szansa na nową generację magazynów energii

Zdaniem autorów badań opracowana technologia może przyspieszyć rozwój lekkich, wydajnych i trwałych akumulatorów litowo-siarkowych. Jeśli rozwiązanie uda się wdrożyć na skalę przemysłową, baterie tego typu mogą znaleźć zastosowanie m.in. w samochodach elektrycznych, lotnictwie, magazynach energii oraz elektronice mobilnej, gdzie wysoka gęstość energii i długa żywotność mają kluczowe znaczenie.

Wyniki badań zostały opublikowane na łamach czasopisma naukowego Small.