Θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση, την χωρητικότητα και τη σταθερότητα των μπαταριών λιθίου-θείου επόμενης γενιάς, σύμφωνα με έρευνα που έγινε από το Helmholtz-Zentrum Berlin και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου
Το Helmholtz-Zentrum Berlin και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Βερολίνου ανέπτυξαν το υλικό με βάση μια πορώδη πολυμερική δομή που ονομάζεται ριζικό-κατιονικό ομοιοπολικό οργανικό πλαίσιο (COF).
Η μελέτη (δημοσιεύθηκε στο Journal of the American Chemical Society) περιγράφει το COF ως έναν νέο τύπο «κρυσταλλικού οργανικού πολυμερούς» με βασικά χαρακτηριστικά όπως υψηλό πορώδες, προσαρμόσιμη δομή, χαμηλή πυκνότητα και χημική σταθερότητα.
Είναι ενδιαφέρον ότι το νέο υλικό βελτίωσε την απόδοση της μπαταρίας διαρκώντας πάνω από 1.500 κύκλους.
Εάν υιοθετηθεί, θα μπορούσε να βελτιώσει την χωρητικότητα και τη σταθερότητα των μπαταριών λιθίου-θείου επόμενης γενιάς.
Δομή υλικού
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι πολλά υποσχόμενες λόγω της υψηλής ενεργειακής τους χωρητικότητας και μπορεί να διαδεχθούν τα στοιχεία ιόντων λιθίου στο μέλλον.
Αυτές οι μπαταρίες αποτελούν μια οικονομικά αποδοτική και ασφαλέστερη επιλογή, καθώς το θείο είναι φθηνό και άφθονο, μειώνοντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
Ωστόσο, η ευρεία υιοθέτησή του έχει παρεμποδιστεί από ένα ελάττωμα ταχείας απώλειας ισχύος. Αυτό οφείλεται σε ένα ενοχλητικό υποπροϊόν, τα πολυσουλφίδια.
Αυτά σχηματίζονται κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.
Τα πολυσουλφίδια διαλύονται και μεταναστεύουν, γεγονός που υποβαθμίζει την απόδοση της μπαταρίας και μειώνει τη διάρκεια ζωής της.
Το νεοαποκτηθέν υλικό COF προσφέρει μια λύση σε αυτό το πρόβλημα παγιδεύοντας και επαναχρησιμοποιώντας ενεργά αυτά τα πολυσουλφίδια.
Σε σύγκριση με προηγούμενες προσπάθειες, αυτό το νέο COF ενσωματώνει συγκεκριμένες «ρίζες» (μόρια με μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια) που λειτουργούν ως μικροσκοπικοί καταλύτες.
Αυτές οι ρίζες βασίζονται ειδικά σε μια οργανοθείο ένωση που ονομάζεται τετραθειαφουλβαλένιο (TTF).
Οι ρίζες επιτρέπουν μια εξαιρετικά αποτελεσματική χημική αντίδραση μέσα στους πόρους του νεοαποκτηθέντος υλικού COF (που ονομάζεται R-TTF•+-COF).
Αυτή η αντίδραση παγιδεύει αποτελεσματικά τα πολυσουλφίδια και τα μετατρέπει ξανά σε χρησιμοποιήσιμο θείο. Τελικά, εμποδίζει τα πολυσουλφίδια να μειώσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
«Το υλικό αποτελείται από μονάδες τετραθειαφουλβαλενίου ([TTF]2•+) και ανιόντα τρισουλφιδικών ριζών (S3•-) συνδεδεμένα μέσω βενζοθειαζόλης (R-TTF•+-COF). Αυτό βελτιώνει σημαντικά την καταλυτική δράση και την ηλεκτρική αγωγιμότητα του COF», εξήγησαν οι ερευνητές στο δελτίο Τύπου της 15ης Σεπτεμβρίου.
Το υλικό βελτιώνει την απόδοση
Η ομάδα διευκρίνισε τον μηχανισμό του υλικού μέσω μιας σειράς πειραματικών αναλύσεων, συμπεριλαμβανομένης της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού στερεάς κατάστασης (ssNMR), της φασματοσκοπίας συντονισμού ηλεκτρονίου σπιν (EPR) και θεωρητικών υπολογισμών.
Οι ιδιότητες του υλικού αναγεννούν την μπαταρία μετατρέποντας τα πολυσουλφίδια σε χρησιμοποιήσιμο θείο, καταπολεμώντας άμεσα την υποβάθμιση που μαστίζει τις μπαταρίες Li-S.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το νέο υλικό βελτιώνει την απόδοση των μπαταριών λιθίου-θείου, επιτρέποντάς τους να διαρκέσουν πάνω από 1.500 κύκλους με ελάχιστη απώλεια χωρητικότητας μόλις 0,027% ανά κύκλο.
Αυτό το επίπεδο ανθεκτικότητας, το οποίο ξεπερνά το τυπικό όριο των 1.000 κύκλων για αυτές τις μπαταρίες, δεν έχει επιτευχθεί πριν με παρόμοιους οργανικούς καταλύτες.
Η ανάπτυξη θα μπορούσε να προωθήσει τη βιώσιμη αποθήκευση ενέργειας σε διάφορες τεχνολογίες, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα και τα ηλεκτρικά αεροσκάφη.
Η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι υπάρχει ακόμη μεγαλύτερο περιθώριο βελτίωσης με την προσαρμογή των ριζικών δομών.
www.worldenergynews.gr
