Akumulatory litowo-siarkowe są trwałe i cztery razy pojemniejsze niż litowo-jonowe

Ośrodek Oak Ridge National Laboratory (ONRL) znamy przede wszystkim z superkomputerów, które są w nim zainstalowane. Nazwa jednak zobowiązuje, a pracujący tam naukowcy wywiązują się z zadania. Ich najnowszy projekt to litowo-siarkowy akumulator ze stałym elektrolitem, który przy tych samych rozmiarach jest cztery razy wydajniejszy niż stosowane powszechnie akumulatory litowo-jonowe.

Pogoń za jak najefektywniejszym dostępem do energii przybiera różne postacie. Czasem są to, śmieszne na pozór, eksperymenty z oryginalnym źródłem zasilania jak papier, kiedy indziej są to próby modyfikacji istniejącej już technologii. Od czasu do czasu słyszymy o teoretycznie rewolucyjnych odkryciach jak akumulator ładowany w 30 sekund. Najczęściej jednak mamy do czynienia z prostymi rozwiązaniami jak technologie wydłużające czas przydatności baterii czy po prostu stosowanie bardzo pojemnych, ale i sporych akumulatorów w urządzeniach mobilnych.

Kiedy w końcu doczekamy się rozwiązania, które zostanie szybko wdrożone i faktycznie zwiększy komfort użytkowania smartfonów, tabletów? Może nowej generacji litowo-siarkowy akumulator nie będzie na tyle wymyślnym pomysłem, by pozostać na długie lata w laboratoriach. Akumulator tego typu opracowywany w ONRL zrywa z dotychczasowym kierunkiem badań nad ogniwami litowo-siarkowymi, które wykorzystywały płynny elektrolit.

Dlaczego? Elektrolit w takim stanie skupienia uniemożliwiał dotychczasowym konstrukcjom akumulatorów wykorzystujących siarkę wystarczająco długą pracę. Elementy akumulatora, w których skład wchodzą wielosiarczki litu, rozpuszczają się w wyniku kontaktu z elektrolitem. Stąd nieudane wieloletnie próby skonstruowania trwałych litowo-siarkowych akumulatorów.

Badaczom z Oak Ridge udało się zsyntetyzować materiały bogate składem w siarkę (fosforany wielosiarczkowe litu, LPSP), których przewodnictwo jonowe jest tak samo dobre jak dotychczasowych katod w akumulatorach litowo-jonowych. Zespół kierowany przez Chengdu Lianga połączył taką siarkową katodę z litową anodą, przedzielając je elektrolitem w stanie stałym, który na tę okazję również został opracowany.

Efekt. Pojemność katody w nowych akumulatorach wynosi około 1200 mAh (dane z ORNL) po 300 cyklach ładowanie-rozładowanie w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Dla porównania podawana jest pojemność w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, na poziomie 140-170 mAh. Po przeliczeniu na gęstość przechowywanej w ten sposób energii otrzymujemy czterokrotny wzrost w porównaniu z technologią litowo-jonową. Czterokrotny, mimo osiem razy większej pojemności, gdyż ogniwa litowo-siarkowe dają dwa razy mniejsze napięcie niż litowo-jonowe.

Zwykle w przypadku takich wynalazków padają słowa: łatwy w produkcji, tani. Nie inaczej jest tym razem, ale może w końcu, któryś z argumentów przekona odpowiednie instytucje. Nowy typ akumulatora jest mniej podatny na eksplozję, wykorzystuje siarkę, która jest łatwo dostępna na przykład jako odpad w zakładach przetwarzania paliw płynnych. I na koniec, akumulatory tego typu łatwiej poddać procesowi recyclingu niż litowo-jonowe odpowiedniki.

Patent jest już złożony w urzędzie patentowym, a Chengdu Liang liczy na szybką komercjalizację technologii. Oby nie były to tylko nadzieje. Cztery razy dłuższa praca przy zachowaniu dotychczasowych rozmiarów urządzeń to byłoby coś.

Źródło: ORNL