Η σταθερή λειτουργία σε μεγάλα εύρη θερμοκρασιών εξακολουθεί να αποτελεί μεγάλη πρόκληση για τις μπαταρίες λιθίου-θείου που αντιμετωπίζουν πραγματικά λειτουργικά περιβάλλοντα.
Η σχεδίαση ενός νέου υλικού
Η ηλεκτροκατάλυση είναι μια αποτελεσματική στρατηγική για την αντιμετώπιση της αργής κινητικής αντίδρασης των πολυσουλφιδίων λιθίου σε χαμηλές θερμοκρασίες και του επιδεινούμενου φαινομένου παλινδρόμησης σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, η πρακτικότητά της εξακολουθεί να περιορίζεται από τη δομική σταθερότητα των ηλεκτροδίων υποστήριξης.
Σε μια νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε, σχεδιάζεται ένα συνδετικό υλικό με προσαρμοστικότητα σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών με έναν σταθερό ηλεκτροκαταλυτικό μηχανισμό διαμορφωμένης δομής, που μπορεί να επιτύχει αποτελεσματική προσρόφηση και επιταχυνόμενη μετατροπή των πολυσουλφιδίων λιθίου, καθώς και αυτοεπιδιόρθωση σε υψηλή θερμοκρασία και εσωτερική στήριξη ηλεκτροδίων σε χαμηλή θερμοκρασία.
Χαρακτηριστικά των μπαταριών λιθίου
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου με το συνδετικό υλικό έχουν ειδική χωρητικότητα 780 mAh g−1 (5 C, 8375 mA g−1) και 470 mA g−1 (0,1 C, 167,5 mA g−1) ακόμη και στους -40 °C. Αυτή η εργασία επιτυγχάνει σταθερή λειτουργία σε εύρος θερμοκρασιών 100°C αποκλειστικά χάρη στην καινοτόμο ανάπτυξη συνδετικού υλικού, το οποίο παρέχει μια μοναδική προοπτική για το σχεδιασμό μπαταριών λιθίου-θείου σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου (Li||S), με υψηλή ειδική ενέργεια 2600 Wh kg−1 και θεωρητική ειδική χωρητικότητα 1675 mAh g−1, καθώς και υψηλή αφθονία θείου πρώτης ύλης, είναι εξαιρετικά πολλά υποσχόμενες για μια νέα γενιά συσκευών αποθήκευσης ενέργειας. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν τα εγγενή προβλήματα, όπως η αργή κινητική της αντίδρασης, το φαινόμενο shuttle και η διαστολή του όγκου των ηλεκτροδίων λόγω του μηχανισμού αντίδρασης πολλαπλών σταδίων και η ποικιλόμορφη φύση των ειδών θείου, έχουν διεξαχθεί πολυάριθμες μελέτες σε θερμοκρασία δωματίου, επιτυγχάνοντας σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση.
Ωστόσο, περιορισμένη έρευνα έχει διερευνήσει τη συμπεριφορά και την απόδοση αυτών των μπαταριών σε περιβάλλοντα υψηλής ή χαμηλής θερμοκρασίας. Αντιμέτωποι με το πολύπλοκο και μεταβλητό λειτουργικό περιβάλλον των πρακτικών καταστάσεων, είναι απαραίτητο οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας να λειτουργούν σταθερά σε ευρείες περιοχές θερμοκρασίας.
Η ευστάθεια των νέων υλικών
Αν και τα περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας μπορούν να επιταχύνουν το βήμα που καθορίζει τον ρυθμό, η αυξημένη διαλυτότητα των LiPS στον ηλεκτρολύτη θα επιδεινώσει περαιτέρω το φαινόμενο της παλινδρόμησης, οδηγώντας σε δραστική μείωση της σταθερότητας της μπαταρίας. Οι ηλεκτροκαταλυτικές στρατηγικές μπορούν να επιταχύνουν αποτελεσματικά την κινητική των αντιδράσεων και να μειώσουν τη συσσώρευση και την παλινδρόμηση των LiPS. Συνεπώς, έχουν προταθεί διάφοροι ηλεκτροκαταλύτες και έχουν δείξει μεγάλο δυναμικό στην ενίσχυση των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων των μπαταριών Li||S
Ως μοναδικός ηλεκτροκαταλύτης, το υγρό μέταλλο (LM) έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, καλή κινητικότητα, ένα ορισμένο βαθμό πρόσφυσης, καθώς και ιδιότητες αυτοΐασης. Το πιο σημαντικό είναι ότι, σε σύγκριση με τους μη ομοιογενείς ηλεκτροκαταλύτες με σταθερές καταλυτικές θέσεις και ομοιογενείς οξειδοαναγωγικούς μεσολαβητές επιρρεπείς σε απώλειες παλινδρόμησης, το υγρό μέταλλο μπορεί να επιταχύνει την κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων Li||S πιο αποτελεσματικά παρέχοντας δυναμικές καταλυτικές θέσεις στην ενεργή διεπαφή των αντιδράσεων LiPS.
Η πρακτική εφαρμογή των LM σε μπαταρίες Li||S περιορίζεται από την αστάθεια της δομής των ηλεκτροδίων που προέρχεται από την θετική διαστολή του όγκου των ηλεκτροδίων. Ενώ τα συνδετικά υλικά, ως εγγενή συστατικά των ηλεκτροδίων, όχι μόνο παίζουν κρίσιμο ρόλο στη σταθεροποίηση των δομών των ηλεκτροδίων, αλλά έχουν επίσης μεγάλη δυνατότητα να προσροφούν και να καταλύουν LiPS, ενισχύοντας έτσι την κινητική αντίδρασης των μπαταριών Li||S. Επομένως, η ανάπτυξη νέων πολυμερών συνδετικών υλικών με σταθερή καταλυτική δράση έχει μεγάλη σημασία για τη βελτίωση της δομικής και ηλεκτροχημικής σταθερότητας των μπαταριών Li||S σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
Η ηλεκτρονική αγωγιμότητα
Στην παρούσα μελέτη, η παρούσα μελέτη προτείνει μια σταθερή ηλεκτροκαταλυτική στρατηγική με διαμόρφωση δομής μέσω του σχεδιασμού ενός σύνθετου συνδετικού υλικού (GSCC) που αποτελείται από μικρά συζευγμένα τμήματα τροποποιημένων πολυμερών με βάση φυσικά μακρομόρια και υγρό μέταλλο γαλλίου-κασσιτέρου που διαθέτει δυναμικές καταλυτικές θέσεις.
Τα σύντομα συζευγμένα τμήματα στο GSCC ενισχύουν το πλεονέκτημα του υγρού μετάλλου όσον αφορά την υψηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητά του, ενώ το φαινόμενο συντονισμού των πολικών ομάδων και η ιδιότητα του υγρού μετάλλου που καθοδηγείται από το ηλεκτρικό πεδίο ενισχύουν περαιτέρω την ηλεκτροκαταλυτική δράση του GSCC.
Ως αποτέλεσμα, το συνδετικό υλικό έχει κατάλληλη ικανότητα προσρόφησης για LiPS και μπορεί να επιταχύνει καταλυτικά την κινητική της αντίδρασης σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Επίσης, βελτιώνεται η απόδοση κύκλου και η αξιοποίηση του ενεργού υλικού των μπαταριών Li||S.
Μετά από 500 κύκλους στους 0,5 C (837,5 mA g−1), ο μέσος ρυθμός υποβάθμισης της χωρητικότητας των μπαταριών που χρησιμοποιούν GSCC είναι μόνο 0,072% και η ειδική χωρητικότητα εξακολουθεί να είναι 470 mA g−1 στη χαμηλή θερμοκρασία των -40°. Ακόμη και σε υψηλή θερμοκρασία 60°C, οι μπαταρίες GSCC έχουν αναστρέψιμη χωρητικότητα 706,6 mAh g−1 στους 0,5°C μετά από 300 κύκλους.
Αξίζει να σημειωθεί ότι διερευνήθηκε ο σταθερός ηλεκτροκαταλυτικός μηχανισμός του GSCC, καταδεικνύοντας τα μοναδικά του πλεονεκτήματα στις μπαταρίες Li||S. Αυτή η εργασία επιτυγχάνει τη σταθερή λειτουργία των μπαταριών Li||S σε εύρος θερμοκρασιών 100°C αποκλειστικά μέσω της καινοτόμου ανάπτυξης συνδετικού υλικού, το οποίο αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για το σχεδιασμό συνδετικών υλικών για πρακτικές μπαταρίες Li||S μεγάλου εύρους θερμοκρασιών.
www.worldenergynews.gr
