Nowy materiał pułapką na problematyczne związki
Główną przeszkodą w rozwoju akumulatorów Li-S były zawsze polisulfidy. Te związki chemiczne powstające podczas pracy baterii mają niestety tendencję do uciekania i wędrowania między elektrodami, co drastycznie skraca żywotność całego układu. Opracowany przez niemieckich badaczy materiał o skomplikowanej nazwie R-TTF•+-COF działa jak inteligentna pułapka. Jego specjalna struktura z jednostkami tetrathiafulwalenu i rodnikowych anionów trisulfidowych wychwytuje szkodliwe polisulfidy i przetwarza je z powrotem w użyteczną siarkę.
Czytaj też: Energia ze źródła, którego nie zobaczysz gołym okiem. Tak wygląda urządzenie na miarę XXI wieku!
Udało nam się wykazać, że kationy rodnikowe [TTF]2•+ działają jako centra katalityczne, które wiążą LiPSy i ułatwiają wydłużanie i rozszczepianie wiązań S−S – wyjaśnia Sijia Cao
Największe wrażenie robią w tym wszystkim liczby. Prototypowe akumulatory wytrzymały ponad 1500 cykli ładowania i rozładowania, tracąc zaledwie 0,027% pojemności na cykl. Przewodność elektryczna nowego materiału osiągnęła poziom 3,9 S m–1, co oznacza milionkrotny wzrost w porównaniu z pierwotnym materiałem. W praktyce oznacza to, że po trzech latach codziennego użytkowania taki akumulator zachowałby około 85% początkowej pojemności. Dla porównania: obecne warianty litowo-jonowe w smartfonach często tracą zauważalną pojemność już po roku intensywnego użytkowania.
Testy wykraczające poza laboratorium
Naukowcy nie poprzestali na eksperymentach laboratoryjnych. Stworzyli funkcjonalny prototyp o wymiarach 4,4 na 5,7 centymetra, który utrzymywał 85% początkowej pojemności po 50 cyklach i był w stanie zasilać ponad 90 diod LED. Równie ważna jest stabilność mechaniczna, ponieważ katoda rozszerzała się tylko o około 7,2% po pierwszym rozładowaniu. To istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa przyszłych urządzeń.
Włączenie takich struktur rusztowań rodnikowych do akumulatorów litowo-siarkowych daje sporo nadziei – dodaje Yan Lu
Czytaj też: Polacy opracowali materiał przyszłości. Zmienia kolor i ostrzega przed katastrofami
Siarka ma niewątpliwą przewagę nad materiałami używanymi w obecnych akumulatorach. Jest tania, powszechnie dostępna i nie wymaga skomplikowanych łańcuchów dostaw. Technologia litowo-siarkowa mogłaby znaleźć zastosowanie szczególnie w pojazdach elektrycznych o długim zasięgu czy lotnictwie elektrycznym. Badania opublikowano w Journal of the American Chemical Society, a płynące z nich wnioski wskazują na zaawansowany etap rozwoju. Teraz na autorów czeka jednak konieczność rozwiązania dodatkowych wyzwań technologicznych i ekonomicznych. Berliński przełom niewątpliwie przybliża nas do przyszłości, w której magazynowanie energii będzie bardziej wydajne i dostępne. Czy akumulatory litowo-siarkowe zdominują rynek? Czas pokaże.