Rewolucja w bateriach: Litowo-siarkowe akumulatory na progu komercjalizacji

Dwa niezależne zespoły badawcze ogłosiły niedawno znaczące postępy w technologii akumulatorów litowo-siarkowych (Li-S), rozwiązując kluczowe wyzwania stojące na drodze do ich komercjalizacji. Odkrycia dotyczą ulepszenia materiałów katodowych oraz opracowania innowacyjnego elektrolitu stałego, co otwiera nowe możliwości w dziedzinie magazynowania energii.

Katoda z azotowanym węglem porowatym

Zespół kierowany przez profesora Jong-sung Yu z Departamentu Nauk i Inżynierii Energetycznej DGIST opracował azotowany materiał węglowy o strukturze porowatej, który znacząco poprawia prędkość ładowania akumulatorów litowo-siarkowych. Materiał ten, wytworzony metodą redukcji termicznej wspomaganej magnezem, pełni rolę nośnika siarki w katodzie.

Rezultaty badań są imponujące: akumulator osiągnął wysoką pojemność 705 mAh g⁻¹ przy pełnym naładowaniu w zaledwie 12 minut. Struktura węglowa, utworzona przez reakcję magnezu z azotem w ZIF-8 w wysokich temperaturach, umożliwiła większe obciążenie siarką i poprawiła kontakt elektrolitu. Ten postęp spowodował 1,6-krotny wzrost pojemności w porównaniu do konwencjonalnych baterii w warunkach szybkiego ładowania. Ponadto domieszkowanie azotem skutecznie zahamowało migrację polisulfidu litu, pozwalając baterii zachować 82 procent swojej pojemności po 1000 cyklach ładowania-rozładowania.

Współpraca z Argonne National Laboratory ujawniła, że siarczek litu tworzy się w określonej orientacji w warstwach materiału węglowego, co dodatkowo potwierdza korzyści wynikające z zastosowania tej innowacyjnej struktury.

Nowe odkrycia dotyczą ulepszenia materiałów katodowych oraz opracowania innowacyjnego elektrolitu stałego, co otwiera nowe możliwości w dziedzinie magazynowania energii.

Rewolucyjny elektrolit stały

Równocześnie zespół badaczy z Chin i Niemiec opracował nowatorski elektrolit stały, który rozwiązuje problem powolnych reakcji chemicznych między jonami litu a siarką elementarną. Ten szklisty materiał składa się z boru, siarki, litu, fosforu i jodu.

Cechą wyróżniającą tego badania jest włączenie jodu do elektrolitu. Dzięki swojej szybkiej wymianie elektronów jod działa jako pośrednik w transferze elektronów do siarki, drastycznie przyspieszając reakcje elektrodowe. Naukowcy sugerują, że ruchliwość jodu w elektrolicie może pozwolić mu działać jako transporter elektronów.

Wyniki wydajności były równie imponujące. Przy niezwykle szybkim ładowaniu – pełne naładowanie w nieco ponad minutę – akumulator zachował połowę pojemności akumulatora ładowanego 25 razy wolniej. Przy średnim tempie ładowania akumulator zachował ponad 80 procent swojej początkowej pojemności po ponad 25 000 cyklach ładowania i rozładowania. Ten poziom trwałości znacznie przewyższa trwałość konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych, które zazwyczaj doświadczają podobnej degradacji pojemności po zaledwie około 1000 cyklach.

Perspektywy na przyszłość

Te postępy przybliżają baterie litowo-siarkowe do praktycznego zastosowania. Praca zespołu DGIST stanowi obietnicę zaawansowanych materiałów katodowych w scenariuszach szybkiego ładowania, podczas gdy chińsko-niemiecka współpraca podkreśla transformacyjny potencjał stałych elektrolitów w poprawie żywotności baterii i szybkości ładowania.